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使用定電流驅動白光LED之探索
 

【作者: Karl R.Volk】   2004年01月05日 星期一

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當把白光LED應用在背光顯示或其它照明應用時,有兩個重要的理由來支持為什麼需要以定電流的方式來驅動它:


  • (1)避免違反最大電流規格而犧牲可靠度。


  • (2)取得可預測且匹配的亮度與色度。



白光LED的順向電壓在20mA的情況下 通常介於3.0V的4.0V之間,假設僅簡單地加上固定的順向電壓,那麼順向電流的差異可能相當地大,要解釋這個情況,可以參考(圖一)中由兩個廠牌中各選三顆共六顆隨機選擇白光LED的順向電流與順向電壓相對關係圖,在此例子中,如果用3.4V來推動這六顆LED,依LED廠牌的不同,將會造成由10mA到44mA的順向電流差異。



《圖一由兩個廠牌中各選三顆共六顆隨機選擇白光LED的順向電流與順向電壓相對關係圖,需注意的是圖中任意電壓點的順向電流差異相當大,例如在3.4V時變化範圍從10mA到44mA。》
《圖一由兩個廠牌中各選三顆共六顆隨機選擇白光LED的順向電流與順向電壓相對關係圖,需注意的是圖中任意電壓點的順向電流差異相當大,例如在3.4V時變化範圍從10mA到44mA。》

LED電流規格的限制


《圖一由兩個廠牌中各選三顆共六顆隨機選擇白光LED的順向電流與順向電壓相對關係圖,需注意的是圖中任意電壓點的順向電流差異相當大,例如在3.4V時變化範圍從10mA到44mA。》
《圖一由兩個廠牌中各選三顆共六顆隨機選擇白光LED的順向電流與順向電壓相對關係圖,需注意的是圖中任意電壓點的順向電流差異相當大,例如在3.4V時變化範圍從10mA到44mA。》

若考慮到可靠度,更須注意不要違反LED的最高電流規格限制,典型的應用上大約為30mA,但如(圖二)中所示,在環境溫度升高時最大容忍電流值將會下降。通常會將電流限制在20mA以下以便能夠達到忍受50℃的運作環境,整合(圖一)與(圖二)中所得到的資訊,可以辨別出使用定電壓來推動白光LED並非可靠的解決方案。



《圖二 在環境溫度上升時,白光LED所能容忍的最大電流值將會下降》
《圖二 在環境溫度上升時,白光LED所能容忍的最大電流值將會下降》資料來源:Nichia

另一方面,必須留意白光LED的亮度與色度在測試上以採用定電流推動會有最佳的控制效果,(圖三)為常見白光LED的規格。


《圖三 常見白光LED的規格》
《圖三 常見白光LED的規格》資料來源:Nichia

(圖三)對普通的白光LED而言,整個電氣規格通常採用順向電流IF=20mA的環境來測試,因此要得到可預測且匹配的亮度與色度,通常推薦使用定電流的驅動方式。


電源電路內部分析

(圖四)~(圖七)提供了推動白光LED四種常見的電源電路,(圖八)~(圖十)則列出隨機選擇六顆白光LED的測試相對穩壓精確度,且白光LED前向電壓(Vf)差異會因為所採用的穩壓線路不同而對電流的穩定精確度造成不同的影響。顯示由兩個廠牌中各選三顆共六顆隨機選擇白光LED的Vf曲線,其中穩壓器輸出負載曲線與LED Vf曲線交叉點就是穩壓點。圖四~圖七中,穩壓輸出的負載曲線被與LED的Vf曲線一起畫出,其中曲線的交叉點就是每個LED的穩壓點。


圖四~圖七中的電路顯示如何使用電壓穩壓器與鎮流電阻來控制LED的電流,該作法的優點是可以選用多種電壓穩壓器,同時只需將穩壓器的一端連接到LED上,缺點則為,由於鎮流電阻所帶來的功率耗損以及LED的順向電流沒有被精確控制,因此效率不佳。(圖十)則顯示了六顆隨機選擇的白光LED電流變化可以從14.2mA到18.4mA,同時A廠牌的產品平均亮度比B廠牌高大約2mA。


(圖五)的電路則控制流到LED的整體電流,其中鎮流電阻則用來控制各LED間電流的匹配,MAX1910則為此類型電流穩定元件的例子,該電路主要是以製造商同批產品中LED的匹配程度較高,而在批號或廠牌之間的變動則較大的情況做假設,基於這樣的假設,可以將鎮流電阻縮小以降低一半左右的功率消耗,同時還能提供與前述電路差不多的電流控制效能。


(圖九)顯示這樣的電路應用在六顆隨機選擇的LED上時,電流變化從15.4mA到16.9mA,但是廠牌A間的差異更小,同時廠牌A與廠牌B的平均電流都大約為17.5mA/LED。這個設計的缺點為,在鎮流電阻上還是有不少的功率消耗,同時LED的電流也無法完美匹配,不過從另一個角度來看,該電路倒提供一個效能與電路簡化間相當好的平衡選擇。


(圖六)的電路則獨立控制每個LED的電流而不需使用鎮流電阻,在這裡電流的穩定精確度與匹配度由每個獨立電流控制器的精確度所決定,MAX1570為這類型電流穩定器的一個例子,可以帶來約2%的電流精確度以及0.3%的電流匹配度,由於電流穩定器為低壓降設計,因此可以達到相當高的效率。


(圖十)顯示對所有六顆隨機選擇的白光LED來說,穩定電流為固定的17.5mA,省略鎮流電阻雖然可以節省電路板空間,但卻需要在穩壓器與LED之間有四個連接點,這類型的電路代表一個幾乎可以與採用電感器解決方案匹配的高效能解決方案。


(圖七)則為採用電感器式升壓轉換器來穩定電流的電路,其中低回饋臨界點可以將電流感測電阻的功率耗損降到最低。由於LED是以串列的方式連接,因此在任何情況下LED電流都能完美地匹配,電流的精確度則由穩壓器的回饋臨界精確度決定,不受LED前向電壓變化的影響,MAX1848與MAX1561為這類型電流穩定器的代表,並分別以達到三顆LED時87%與六顆LED時84%的高效率(PLED/PIN),其它的優點還包括在穩壓器與LED之間只需兩個連接點,同時串列連接的LED也不受所採用升壓轉換器的影響,為設計者帶來相當大的彈性。這個電路的缺點則為電感器的尺寸,特別是高度以及成本與所發出的EMI雜訊。(作者任職於Maxim Integrated Products)


《圖四 電壓源與鎮流電阻》
《圖四 電壓源與鎮流電阻》
《圖五 電流源與鎮流電阻》
《圖五 電流源與鎮流電阻》
《圖六 多重電流源》
《圖六 多重電流源》
《圖七 電流源且LED以串列形式連接》
《圖七 電流源且LED以串列形式連接》

《圖八 電壓源與鎮流電阻曲線圖》
《圖八 電壓源與鎮流電阻曲線圖》

《圖九 電流源與鎮流電阻曲線圖》
《圖九 電流源與鎮流電阻曲線圖》
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