利用LDO改善白光LED的匹配度

摘要：白光发光二极管(LED)在各种照明设备中的应用正在稳步增长，如手持产品中的闪光灯、显示器背光等。与白炽灯相比，它们提供真正的白光、消耗更低的功耗。与荧光灯相比，它们更易于使用。批量使用时，白光LED的一致性较差，利用低成本的线性稳压器(LDO)可以改善其匹配度，即使在采用不同LED的情况下。

自从几年前发明了白光LED以来，白光LED的应用得到了稳步发展。与荧光灯相比具有使用简单、成本低的优势，与白炽灯相比可以提供更接近于白色的光，因此，其用量在最近几年呈现出稳步上升的趋势，在手持式产品中被广泛用作闪光灯、显示器背光等。当然，在实际应用中针对白光LED也存在一些有待解决的技术问题。

选用白光LED最明显的问题是产品的匹配性差，按照白光LED的典型规格，电流为20mA时正向电压的最小值为3.0V、典型值为3.5V、最大值为4.0V。显然，稳压源不是合理的解决方案。利用相同的电流驱动每只LED可以获得均匀亮度，但成本很高。在许多应用中只是简单地用一个固定偏置电压和镇流电阻驱动LED，如图1。


图1. 大多数应用只是简单地利用固定偏置电压(本范例中采用5V)和镇流电阻(本范例中采用75Ω)，获得近似匹配的白光LED亮度。

按照图1设计电路通常可以得到相当好的亮度匹配。但对于大批量生产的用户，同一批次的产品具有相当一致的特征指标，但批次之间一致性较差。这就需要对每一批新的LED进行测试、为其配置镇流电阻。如果存在多个LED供货商问题将更加严重。为详细描述上述问题，我们选用了三个厂商的LED (分别用A、B、C表示)按照图1所示电路作了以下测试：标号为A的LED选自一级白光LED供货商，标号为B的LED选自二级白光LED供货商，标号为C的LED是从电子配套市场购买的廉价LED。测试结果如表1。

表1. 为了评估图1电路的生产能力，我们对三种不同厂商提供的白光LED进行了测试。从测试结果看，不同商标的LED一致性较差，比标准平均电流偏差3.27mA。


从表1可以看出，同一厂商的LED匹配性较好，特别是来自规模较大的供货厂家的产品(A、B两种LED)。正如所预期的那样，来自供应商C的不同包装的LED一致性较差。三家厂商LED电流的平均均方误差为0.54mA。

从表1的“平均值”列可以看出，不同厂商提供的LED一致性较差，A厂商提供的LED吸取电流最大(平均24.6mA)，B厂商提供的LED吸取电流最小(平均18.3mA)。不同厂商的白光LED在采用相同偏置电压、相同的镇流电阻时电流差别较大，均方误差为3.27mA。

单独调节每只LED的电流或至少对其中一只LED的电流进行调节可以提高不同厂商或同一厂商不同批次LED的一致性，但这需要相当昂贵的芯片。在对成本要求苛刻的产品中，可以利用低压差线性稳压器(LDO)改善LED的一致性，无需选择阻值不同的镇流电阻，具体电路如图2所示。图中LDO工作在稳压-稳流模式下，根据一只LED的正向电压的变化自动调节偏置电压。


图2. 添加一片低成本的LDO，得到可自动调节的偏置电压，有效改善不同批次、不同厂商白光LED的匹配度。

为考核图2电路性能，我们将上述A、B、C三种LED按照图2电路连接进行了测试，测试结果如表2。从表2可以计算出：相同厂商LED电流的一致性略有下降(图2所得结果为0.77mA，图1所得结果为0.54mA)，但不同厂商的LED电流的一致性得到了较大改善，均方误差由3.27mA降低至0.96mA。

表2. 为了评估图2电路的性能，我们对相同的三组白光LED进行了测试，从表2可以看出，不同厂商提供LED一致性得到了改善，由表1所示偏离标准值3.27mA降至0.96mA。


图2电路需选择带有外部电压调节引脚的LDO，如MAX8863，其反馈门限为1.25V (VSET)。选用SOT23封装的LDO可提高系统的性价比，因为多数SOT23封装的LDO带有关断控制，从而省去了图1电路中控制LED通/断或PWM亮度调节的N沟道MOSFET。另外，LDO还具有较宽的输入电压范围，当与其它电路共用同一5V电源时可以提供较高的电源抑制比(PSRR)此外，由厂商A提供的LED不会运行在“热”状态下，无需过多考虑散热问题。

图3电路是对图2电路的修正，每只LED的电流为15mA，适合便携产品的背光源要求。MAX8863可以驱动8只LED，每只LED电流为15mA。当LED正向电压较低、或镇流电阻的电流低于15mA时，所允许的输入电压更低。


图3. MAX8863 LDO可驱动8只LED，每只LED电流为15mA。对不同厂商、不同批次的LED可提供较好的亮度匹配。