在电池供电应用中驱动 LED：高效控制亮度功率

本应用笔记介绍了包括WLED在内的LED的工作原理。该说明还解释了如何在电池供电的LED应用中驱动它们，包括锂离子（Li+或Li-ion），镍镉（NiCd）和镍氢（NiMH）可充电手持设备，其中功耗很重要。讨论了LED亮度匹配以及串联与并联LED的值。还提供了几个LED驱动器的应用信息，这些驱动器可以有效地驱动和控制LED。

关于发光二极管

发光二极管 （LED） 是真空钨丝灯泡的固态、高可靠性、高效率对应物。基于砷化镓磷化物 （GaAsP） 的外延材料产生红色、绿色或黄色输出（图 1）。基于硝酸铟镓 （InGaN） 的材料产生蓝色或白色输出（图 2）。不同的化学成分也会产生不同的电气特性。

图1.红色、绿色和黄色二极管的相对光谱响应（IF= 2毫安，T一个= +25°C）

图2.白光二极管的相对光谱响应（IF= 20毫安，T一个= +25°C）

在图 1 和图 2 中，曲线 V L表示人眼的标准反应。为了获得白光，蓝色发射器被在蓝光刺激时发出黄光的材料覆盖。眼睛将输出解释为白色，并产生图2的光谱响应。

偏置二极管

LED是电流驱动器件，其中光输出直接取决于通过它们的正向电流。一个简单的偏置电路将电流（以及光输出）保持在合理的恒定值，与与LED串联的单个限流电阻器匹配目标电源（图3）。

图3.LED 偏置，每个 LED 只有一个电阻

这种设计方法成本低，但由于每个LED之间的VF值分布，允许电流变化。图4和图5显示了典型正向电压特性与正向电流的关系，显示了+25°C时的变化。 在20mA时，GaAsP LED的VF最大值上升至+2.7V，InGaN LED的VF最大值上升至+4.5V。对于需要多个二极管的系统，例如手机显示器背光（8个LED），额外的电阻器占用了相当多的印刷电路板面积。

图4.典型砷化镓正向电压与正向电流的关系，在+25°C时

图5.+25°C时典型InGaN正向电压与正向电流的关系

你可以减少V的影响F通过增加 V 值来变化源.然而，这种方法浪费了电力，并且与低压电池电源（如单个锂离子电池）不兼容。锂离子端电压从充满电时的+4.2V到放电时的+3V不等。因此，由该电源供电且具有简单电阻偏置的LED将表现出明显的光输出变化。因此，与电阻偏置相比，更好的方法（用于改善压差并稳定光强度随电源电压的变化）采用电流偏置。

电流偏置

顾名思义，LED连接到电流源。假设电流源具有足够的动态范围，这种偏置方法消除了V的影响F变化。因此，单个电流源取代了图5所示的各个电阻（图6）。因此，假设有足够的电源电压来偏置电流源和LED，则光输出与电源和正向电压无关。与之前一样，Q1提供了一个使能开关。

图6.带电流源的 LED 偏置

MAX1916提供了一种简单的LED电流偏置方法。MAX6在小型23引脚SOT7表贴封装（图1916）中集成三个电流源，实现图6所示的电流源方式。SET电阻中的电流镜像在三个OUT端子上。对于电流“镜子”，如果n个相同MOS晶体管的栅源电位相等，则它们的通道电流也将相等。另一个优点是，如果镜像MOS器件（Q2、Q3和Q4）比镜面MOS器件（Q1）大m倍，则输出电流比镜面电流（I设置).

最后，集成电路比分立电路实现更精确的电流比。

图7.MAX1916 LED电流镜的简化图

MAX1916输出之间的电流失配最大值为5%，镜像常数为230A/A ±10%。我外由以下人员给出：

我外= 230 I设置.

SET端子内部偏置至+1.215V ±5%，产生以下SET电流：

我设置= （VSOURCE - 1.215V）/R设置.

任何 LED 电流与任何其他 LED 电流的距离均不超过 5%。例如，如果一个 LED 电流为：

207 一设置（-10%），则剩余 LED 电流必须介于 207 I 之间设置和 218 I设置.

输出饱和电压是非线性的，不能用电阻器建模。在整个温度范围内的代表性最大值为+0.410V/20mA、+0.360V/10mA和+0.180V/5mA。

因此，工作在5mA的低电流GaAsP二极管需要VF + 180mV的最小电压才能正常工作，并且LED工作电压可以保持在+2.9V以下。低压差值表明MAX1916在极低的漏源电压下仍能保持稳压状态。为了实现更低的压差和更高的输出电流，MAX1916输出可以并联，镜像常数为690。

设定电流端子的电压电源可以独立于主大电流电源。例如，对于工作在蜂窝无线电的MAX1916，VSET可以从RF电路的低噪声+2.8V电源获得。当直接由单节锂电池供电时，MAX1916适合与GaAsP低正向压降LED配合使用。由锂电池供电的InGaN WLED需要不同的方法，因为输入电压可能不足以偏置这些LED。

用于 WLED 的无电感升压电源

WLED 应用需要升压电源，因为 WLED 的正向电压（+3.5V 至 +4.5V/20mA）高于其他 LED 类型。过去，电荷泵升压电源与MAX1916配对即可解决这个问题。然而，这些功能已结合在MAX1575/MAX1576控制器中，因此需要更少的空间和更低的成本。

MAX1574/MAX1575/MAX1576提供高输出电流、良好的电流匹配、用于高效率的自适应模式切换、过压保护和多达8个LED驱动引脚。采用串行脉冲代码方案，可通过双模式™使能引脚实现设定电流百分比的可编程调光。

图8所示为MAX1574电荷泵驱动3个LED，总输出电流高达180mA。1MHz 开关速率允许在电荷泵中使用小型陶瓷电容器。

图9所示为MAX1576电荷泵驱动两组4个LED，总输出电流高达480mA。闪光灯组允许每个LED高达100mA;每组具有独立的设定电流、串行脉冲调光和 2 线对数调光控制。通过自适应模式切换，单个锂电池放电曲线上的平均效率为 83%（图 10）。MAX1576非常适合使用LED闪光灯的数码相机应用。

MAX1575为器件型号，以4mA总输出驱动两组LED（2个主LED和120个副LED）。

图8.集成电荷泵，带一组 LED 电流源

图9.带两组 LED 电流源的集成电荷泵

图 10.MAX1576在典型锂电池电压下的效率

基于电感的WLED控制器

MAX8在23引脚SOT1848封装中集成了升压转换器和电流检测功能，可以从+3.2V至+6.5V输入电源驱动多达两串5个WLED（图11）。MAX1848采用电压反馈来调节进入LED的电流。模拟控制设置整体 LED 亮度;驱动双模控制引脚的DAC或分压器设置LED电流。所示电路的电压控制范围为+250mV至+3.3V，LED电流范围小于每串2mA至20mA （关断为0V）。然而，对于并联串，串之间的亮度匹配可能是一个问题，因此以牺牲效率为代价增加了额外的串联电阻。一个好的折衷方案是每个LED增加20Ω，或为60个LED增加3Ω。

图 11.电流调节采用MAX1848电感式升压转换器驱动多达6个LED

 

部分	LX 引脚额定值 （V）	# 系列 LED	bag
MAX1848	14	3	8-SOT23
MAX1561/MAX1599	30	6	8-四氢氟呋喃
MAX8595Z/MAX8596Z	37	8	8-四氢氟呋喃
MAX8595x/MAX8596x	40	9	8-四氢氟呋喃

 

图 12.电流调节采用MAX8595X电感式升压转换器驱动多达9个LED。

MAX1848的器件数量较少，如图12所示，使用MAX8595/MAX8596高压控制器。MAX8595X可在9mA电流下驱动25个LED。MAX8596X增加温度降额，使LED电流在高于+42°C环境温度时下降。MAX8596Z可驱动多达8个LED。

双模式控制引脚允许使用补偿引脚上的电容作为滤波器进行逻辑电平 PWM 调光。可以使用200Hz至200KHz的频率。占空比从 0 到 100% 产生从 0 到满值的输出电流。也可以使用来自DAC的简单模拟电压电平。在这种情况下，输出电流检测电压等于控制电压的1/5，直至箝位电压。箝位电压将 LED 电流限制为满值，即使控制电压增加到限值以上也是如此。

内部振荡器的工作频率为1MHz，允许使用小型元件。可实现高达 86% 的效率。MAX8596提供最小的封装和最少的LED驱动元件数量。

MAX8790A为高效率、电流模式升压驱动器，适用于WLED应用的多串并联。MAX8790A可以驱动多个串联LED的<>个并联串。它提供两种调光控制：模拟调光可提高转换器效率，数字调光可减少色彩失真。

图 13.MAX8790A电感升压转换器可驱动多达<>个并联LED链

审核编辑：郭婷