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白色发光二极管背光源及其驱动电路设计分析

白色发光二极管背光源及其驱动电路设计分析

  • 分类:索菲动态
  • 作者:
  • 来源:
  • 发布时间:2012-04-02 12:30
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【概要描述】

白色发光二极管背光源及其驱动电路设计分析

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        近几年,业界开始大量采用LED替代CCFL和EL作为LCD的背光(背景光照明的简称),与CCFL、EL相比.LED发光管具有如下优点:

       (1)可使LCD色彩更逼真,采用LED背光可以提供130%的NTSC色阶,而CCFL仅为70%。色阶的扩充使LCD影像色度更饱和、更逼真;

       (2)可使LCD厚度更薄,在18英寸LCD模块中,LED背光厚度为4mm~6mm,CCFL为8mm~12nm;

       (3)寿命长,可达5万小时;

       (4)符合环保要求,LED不含汞,

       (5)与EL背光相比,LED背光不会产生于扰。因此,LED背光广泛用于PC、TV、汽车音响、手机、通信设备、个人数字助理(PDA)和手表等领域,它已成为LCD背光市场的主导产品。

        2002年LED的市场需求量占背光市场总需求量的60%左右,目前,有绿、红、蓝和白色LED作为LCD的背光,由于价格因素,绿色LED居主流,约占LED背光产品的80%,它们的额定电流为2mA~20mA,亮度为600mcd。由于白色LED的成本较高,目前主要用于彩屏手机和彩屏PDA的背光以及汽车仪表的照明。

        白色LED的发光机理及特性

        1 发光机理

        单芯片白色LED是一种含InGaN活性层的CaN发光二极管,它主要有两种发光机理:一种是结合蓝色LED和黄磷,通过蓝光和磷发射的黄光的混合产生白光;另一种是通过紫外光LED和红、蓝、绿磷的组合产生白光。

        2 特性

        白色LED的主要特性有:正向压降为3.5 V;发光效率大于20lm/W,优于白炽灯泡,次于荧光灯(601m/W~100lm/W),2004年,发光效率可提高到60lm/w,接近荧光灯水平,从而可大量用于照明市场;光通量为231m;封装尺寸小。Nichia公司于2003年推出SMD型白色LED,型号为NSCW215,它是一种侧视SMD型白色LED,高度为0.8/1mm,电流为20mA时,亮度达600mcd。Toyoda Gosei公司推出SMD型白色LED,尺寸为3.2 mm×2.8 mm,型号为TG white,电流为20mA时,亮度达100mcd,发光效率为4.5 lm/W~5 lmW。

        citizen公司采用Nichia公司的白色LED裸片开发出迄今为止世界上最小的白色LED,其厚度为0.55 mm。Nichia公司的非SMD型白色LED的尺寸为11.2mm(宽)×7.2mm(长)×6mm(高),寿命长,达5万小时以上。白色LED在照明市场上的应用前景诱人,为此,世界各国LED厂商加紧开发大功率白色LED,如Nichia公司开发出大功率InGaN LED,功率达1 W~2 W,是现有LED的10倍。美国加州大学固态发光及显示中心计划在2007年前开发出发光效率为200lm/W的白色LED。

         3 白色LED驱动电路

         目前,白色LED主要用于彩屏手机和彩屏PDA,一个彩屏LCD的均匀背光需要3个~4个或更多的白色LED,智能手机可能需要6个或更多的白色LED。由于白色LED需求的增多。有力地推动了白色LED驱动器市场的增长。据Linear公司电源事业部产品营销经理Tony Armstrong估计:"2003年手机出货量将超过4亿部。其中至少有60%~70%是彩屏手机,此外。还将有1000部彩屏PDA,市场将有几亿块白色LED驱动器的需求",由于白色LED的正向压降为3.5 V,当单节锂电池相近,因此,需要一个升压转换器来解决白色LED的正向电压问题。

        目前,升压有两种解决方案:一是电荷泵方式(开关电容器),其优点是占用面积小,但效率低,国家半导体公司推出的白色LED驱动器采用这种开关电容,该公司认为,如果采用升压转换器,当驱动器处于断电状态时就会有漏电流;二是电感开关升压方式,其优点是效率高,但占用面积大。

         目前,大多数白色LED驱动器厂商都采用电感开关升压方式,如Catalyst公司的CAT32型白色LED驱动器,它工作在1.2MHz的固定频率上,它可增强低电压电池的电压,并自动调整驱动电流,最多可支持4个串联在一起的白色LED。该公司正在开发比CAT32更先进的白色LED驱动器,它可通过MPU对电流进行控制,并集成了无源元件,从而节约了成本。Linear公司推出片上集成肖特基二极管的白色LED驱动器,这样,驱动电路只需两个外部电容器、一个电阻器和一个电感器。而一般白色LED驱动器是集成MOSFET。

        白色LED驱动电路由白色LED驱动器和外围电路(包含晶体管、二极管、电感器、电容器和电阻器等)组成。驱动白色LED需要一个恒流源,电流一般为15mA~20mA。LED的亮度依赖于其正向电流,所以多个白色LED串联使用,可保证流过每个白色LED的电流都相同。正向编置的4个串联白色LED需14V电压,该电压通过升压稳压器来提升单节锂电池(2.7V~4.2V)故称工作电压来获得。

         例如一种单节锂电池(2.7V~4.2V)供电的高效率白色LED驱动电路。选用的SP6682是一块标准的稳压充电泵电路。它含有一个内部500kHz振荡器,用以正常驱动充电泵电容器,使输人电压提高一倍。将相关电阻两端的电压与SP6682的0.3V参数电压比较,该驱动电路的效率达87%。通常,市售的集成升压稳压器以1.24V带隙电压作为反馈参考电压,将使相关电阻两端产生1.24V的压降。从而使转换效率降低7%。SP6682的0.3V参考电压远低于1.24V,而效率的降低与参考电压成正比。MOSFET具有很小的导通电阻和很高的开关速度,这些参数优于其他集成开关。MOSFET的击穿电压会限制最大输出电压,通过调节该电压以驱动所需几个白色LED的系统。在SP6682的启动引脚6上加一个PWM信号,可使稳压器关闭和重新启动,可以精确地控制白色LED的亮度。

        双节锂电池(6V~8.4V)供电的白色LED驱动电路可以选用的白色LED驱动器,比如TI公司的TPS61042就是一块适合双节锂电池供电的白色LED驱动器,但TPS61042的输入电压仅为1.8V~6 V,只要巧妙地将TPS61042的输入电压与功率级分开,就能使TPS61042驱动白色LED。将系统3.3V电压接到驱动器的引脚VIN上,驱动器的功率级输入直接连接到双节锂电池上。通常,功率级可连接到低于可需输出电压的任何电压输出端。由于升压拓扑,功率级的输入电压必须低于输出电压,或者电感器和二极管直接将输入电压传送到输出端。引脚SW上的允许最大电压为28 V,限制了功率级的最大输入电压。相关的驱动电路表明,输入电压越高,效率也越高。所以,驱动电路可以完全不受其输入电压范围的限制,并能有效地节约系统成本和板极空间,还提高了效率。

         对于单节1.5 V电池白色LED驱动电路,采用的是TI公司的SN74AUClGl4或Fairchild公司的NC7SPl4单栅施密特倒相器。只要施密特触发器输出高电平脉冲持续3μs,就可导致大约65 mA的峰值电感器电流,并使白色LED产生极高亮度的白光。即使电池电压小到500mV,相应的33 mA峰值电流仍可使白色LED发出足够亮的白光。在室温下,这种测试电路仅需650mV的电压就可启动。

        由此可见,要根据需要对不同尺寸的LCD和不同电池的电压应采取不同的白色LED驱动电路。这样才是最节能最高效的驱动电路。

        简介相关的英飞凌LED驱动器系列
 
        英飞凌科技股份公司宣布推出新的低成本线性LED驱动器系列,树立行业性价比基准,进一步壮大其高能效照明IC产品的阵容。全新推出的BCR320和BCR420产品系列可满足市场对节能环保发光二极管(LED)照明解决方案的急剧增长的需求。额定电流为150毫安至200毫安的LED驱动器经过专门设计适用于驱动0.5瓦LED,具备负温度系数,可延长LED的使用寿命,同时具备一个脉宽调制(PWM)信号的数字接口,实现亮度调节。
  
  不久前刚刚问世了能效更高的0.5WLED,英飞凌的0.5W LED驱动有望得到更广泛的应用。然而,目前用于实现LED电流偏置的电阻器解决方案有巨大的缺陷,例如不均匀的光输出,以及LED使用寿命缩短等。另外,开关模式驱动器无法满足半瓦LED产品的价位要求,并且增加了组件数量和提高了驱动电路的复杂性。
  
  全新推出的BCR320和BCR420 LED驱动器经过专门设计克服了所有这些不足,为半瓦LED产品提供了一个成本极低、外形小巧和简单易用的解决方案。
  
  采用这两种器件进行产品设计,可避免使用电感器、电容器和续流二极管,因而可降低成本,大幅缩小占板空间。无需使用电解电容器还可延长LED产品的使用寿命。

BCR320系列和BCR420系列LED驱动器的技术说明
  
  BCR320产品经过专门设计,峰值输出电流高达300毫安。为实现连续运行,建议最大标称电流为250毫安。尽管这种器件的内部击穿电压的典型值为20伏,但它的工作电压可达24伏或者更高,因为它是与LED串联的。
  
  BCR320主要适用于一般照明、建筑照明和情调照明等应用。另一个快速增长的市场是商店照明,在门店中,0.5瓦LED是首选产品,因为它可确保光线更加柔和。BCR320器件具备负温度系数,这意味着,在温度升高的情况下,电流会以0.2%/K的斜率降低。BCR320U型号和BCR321U型号采用极小的SC-74封装(2.9毫米x 2.5毫米 x 1.1毫米),功耗为1瓦。BCR320P型号和BCR321P型号采用SOT-223封装(6.5毫米 x 7.0毫米 x 1.6毫米),功耗为2瓦。BCR321U型号和BCR321P型号提供一个逻辑电平输入端口,用于亮度调节。
  
  相对于BCR320而言,BCR420系列具备更高的内部击穿电压和较低的输出电流。BCR420的内部击穿电压的典型值为50伏,标准输出电流为150毫安。该系列LED驱动器适用的应用与BCR320类似,最大驱动电流为150毫安。此外,该系列器件目前正在申请AECQ 101认证,旨在获得应用于汽车产品的资格。BCR420和 BCR421都采用SC-74封装。BCR421型号配备了一个微控制器接口,用于亮度调节。

  目前BCR320U 和BCR420U LED 驱动器已投入量产。BCR320P 和 BCR321P预计将于2010年第一季度实现量产。

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