LDO线性稳压器改善白光LED亮度匹配

使用固定偏置电压和镇流电阻为白光发射二极管（LED）供电的简单传统方法会导致LED之间的亮度匹配不佳。这是由于LED正向电压变化很大，有时高达1V。廉价的LDO线性稳压器可以通过调节LED电流和偏置电压来响应其中一个LED的正向电压，将亮度匹配提高240%。

自几年前发明以来，白光发光二极管（LED）一直在稳步普及。由于它们提供比白炽灯泡更白的光，并且比荧光灯管更易于使用，因此它们在各种照明应用中稳步获得市场份额，例如手持电子设备中的手电筒和显示器背光。然而，白光LED存在自己的一系列技术问题。

使用白光LED时最明显的问题是它们的匹配有点差。例如，正向电压Vf的典型白光LED规格在20mA时可能读数为3.0V（最小值）、3.5V（典型值和4.0V最大值）。显然，恒压源不是解决方案。虽然实现匹配亮度的推荐方法是以相同的电流驱动每个LED，但这可能很昂贵;因此，大多数应用仅使用固定偏置电压和镇流电阻，如图1所示。

图1.大多数应用只需使用固定偏置电压（本例中为5V）和镇流电阻（本例中为75Ω）即可实现近似白光LED亮度匹配。

在设计如图1所示的电路时，通常可以实现相当好的亮度匹配。然而，正如大多数参与大规模生产的人所知道的那样，一个接一个地从装配线上出来的产品表现出相当一致的特性，但在生产过程中，可能会出现大量的批次差异。当然，这适用于白光LED。通常，生产难题随之而来，其中需要对每批新LED进行表征并选择不同的镇流电阻值。如果使用多个白光LED供应商，问题将进一步加剧。为了证明这一点，我们购买了来自三家制造商的三款白光LED，并使用图1所示电路进行了测试。品牌A是从领先的白光LED制造商那里购买的，LED装在一个小塑料袋里。B品牌是从第二大白光LED制造商那里购买的，LED以胶带形式到达。C品牌，从较小的制造商，在当地的一家电子商店购买，LED是单独包装的。结果如表1所示。为了评估图1电路的可制造性，购买了来自三家制造商的三个白光LED，并测量了LED电流。请注意，品牌与品牌的匹配很差，如平均值的3.27mA标准差所示。

 

发光二极管电流（毫安）		3 个随机指示灯			BvD	斯特德夫
品牌	一个	24.7	24.7	24.3	24.6	0.23
	B	18.0	18.7	18.3	18.3	0.35
	C	20.8	19.7	18.7	19.7	1.05
	平均的Stdev				3.27
	Avg of Stdevs					0.54

 

从表1的“Stdev”标准差列可以看出，每个品牌内的匹配度都相当不错。事实上，A品牌和B品牌表现出非常好的匹配。正如预期的那样，品牌C的独立封装LED的匹配略松。品牌内匹配的品质因数0.54mA是通过取标准差的平均值获得的。

从表1的“平均”平均值列可以看出，品牌与品牌的匹配相当差。品牌A消耗最多（平均24.6mA），而品牌B消耗最少（平均18.3mA）。品牌与品牌匹配的品质因数 3.27mA 是通过取平均值的标准差获得的。

如前所述，调节单个LED电流或至少一个LED电流的解决方案将在产品的制造寿命内提供更好的批次间和品牌间匹配。然而，这些解决方案通常需要相当昂贵的IC。值得庆幸的是，如果成本比完美匹配更值得关注，那么廉价的低压差（LDO）线性稳压器可以提供足够的优势，避免每批新LED调整镇流电阻值。图2显示了如何在介于电压和电流调节模式中使用LDO，该模式根据其中一个LED的正向电压自动改变偏置电压。

图2.通过添加廉价的LDO使偏置电压自动可变，亮度 白光LED批次间和/或品牌间差异的匹配将得到显著改善。

为了证明图2的优势，再次测试了来自三家制造商的相同三个LED，结果如表2所示。虽然在品牌内匹配方面略有妥协（0.77mA，表1为0.54mA），但品牌间匹配提高了340%（0.96mA，表1为3.27mA）！为了评估图2电路的匹配性能，再次测试了相同的三批三个白光LED。请注意，品牌间匹配有了很大的改善，如平均值的0.96mA标准差与表1中的3.27mA所示。

 

发光二极管电流（毫安）		3 个随机指示灯			BvD	斯特德夫
品牌	一个	20.9	20.9	20.3	20.7	0.35
	B	20.0	21.0	20.4	20.5	0.50
	C	20.4	18.9	17.5	18.9	1.45
	平均的Stdev				0.96
	Avg of Stdevs					0.77

 

注意，图2中的LDO需要为外部可调类型，例如MAX8863，其反馈门限为1.25V（Vset）。此外，由于LDO具有关断引脚，因此增加小型SOT-23封装LDO的尺寸和成本被部分抵消，因此图1所示的N沟道FET不再需要用于开/关或PWM调光控制。LDO还具有其他优点，例如LED短路保护、更宽的输入电源电压范围，以及在5V电源由其他电路共享的情况下的PSRR。此外，A品牌LED不再“热”运行，从而减少了功耗压力问题。

图3显示了如何修改图2中每个LED的15mA电流，这是大多数使用表面贴装白光LED的便携式背光应用的要求。MAX8863支持多达8个LED，每个LED电流为15mA。由于LED的正向电压和镇流电阻两端的电压在15mA时较小，因此最小输入电压也较低。

图3.MAX8863 LDO可以驱动1至8个白光LED，每条LED的电流为15mA，无论LED批次间或品牌间差异如何，亮度匹配良好。

审核编辑：郭婷