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| 淺談白光LED控制器驅動技術 |
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【作者： 高仕】 2004年06月09日 星期三
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最近幾年PDA、行動電話、NB-PC等可攜式電子產品的液晶顯示器，幾乎完全變成彩色化，由於液晶顯示器本身並非主動性發光元件，必需仰賴背光照明模組顯示畫面，隨著小尺寸液晶顯示器的彩色化，因此由白光LED光源構成的背光照明模組的需求也大幅增加。白光LED點燈時需要很高的順向電壓VF與順向電流IF，這意味著背光照明模組的控制，對電池的動作時間具有絕對性的影響，因此本文接著要探討白光LED的驅動技術。
彩色液晶顯示器結構
(圖一)是穿透式彩色液晶顯示器的結構，由圖一(a)可知液晶顯示器正下方是背光照明模組，背光照明模組側面則設有三個白光LED；圖一(b)是液晶顯示器的剖面圖，由圖可知設於導光板側邊的白光LED，產生的光線在導光板內反射同時均勻射入液晶顯示器，接著通過液晶顯示器內部的紅、藍、綠cell形成彩色影像。
LED的驅動方式
簡易驅動方法
如(圖二)所示它是將白光LED並聯驅動，因此白光LED的亮度取因負載電阻RL的阻抗值限制LED的順向電流IF。這種驅動方式的白光LED順向電壓VF非常散亂，假設負載電阻RL完全相同，各LED會產生輝度散亂不均現象。圖一(a)的三個LED輝度都不相同的話，會造成背光照明模組無法獲得均勻的光線，形成所謂的「mura」現象。換句話說只要使用電氣特性相同的LED，理論上就不會有mura的困擾，然而實際上並無法要求LED廠商提供電氣特性完全相同的LED，此外LED並聯時也無法配合各LED的特性，逐一挑選特定的負載電阻RL。
輝度維持一定的驅動方法
圖二電路的問題是一定的負載電阻RL，造成LED的順向電壓VF的不均，進而導致LED的順向電流IF也產生散亂不均。為了使各LED的電流相同，可以改用(圖三)的簡易並串聯方式，如此一來即使順向電壓VF散亂不均，不過流入各LED的電流ILED完全相同，因此可以獲得輝度相當均勻的光線。
假設圖三所示的三燈串聯電路的各LED順向電壓VF為3.6V，LED驅動電路整體的驅動電壓VLED等於10.8V，換言之為獲得必要的輝度，每個LED最低限度必需施加3.6V以上的驅動電壓，LED串聯時驅動電壓則呈比例增加。可攜式電子產品一般使用乾電池或是鋰離子電池，為了驅動三燈串聯電路，必需將三個鋰離子電池或是八個乾電池串聯，如此一來除了重量大幅增加之外加上空間上的限制，因此實際上幾乎不可行。
(圖四)是由NJM2360 switching regulator IC構成的白光LED驅動電路，圖中的負載電阻RL的阻抗值，可以使流入INVIN端子的電壓VREF變成1.25V，換句話說決定白光LED的ILED可由下式求得：
此處假設流入各LED的電流ILED為15mA，負載電阻的阻抗值RL則變成830Ω。假設LED的順向電壓為3.V，三燈串聯電路的驅動電壓VLED等於：
| 《圖四 利用switching regulator IC驅動白光LED電路》 |
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白光LED點燈時需要15mA的電流IF，不過周圍很黑暗的環境時，往往不需作全開驅動，此時可控制驅動電流抑制LED的亮度，進而降低LED的耗電量，這對使用電池的可攜式電子產品而言，乃是非常重要的節約電流技術。有關驅動電流控制技術常用的方法是利用PWM信號作控制，該方法經常被應用在其它領域，例如馬達控制或是聲音信號處理等等。由於PWM信號可使switching regulator作ON/OFF，因此它除了可使LED的輝度穩定化之外，同時還可以確保電池長時間的動作特性。由(圖五)可知周圍溫度一旦超過，白光LED的容許順向電流會大幅降低，在此情況下如果施加大電流，很容易造成白光LED老化，為了減緩白光LED的老化速度，所以必需利用周圍溫度調整基準電壓VREF，藉此減少電流的供給。
根據以上的說明可歸納下列結論──
- ●白光LED的電壓VF非常高。
- ●電壓VF本身具有波動值。
- ●衡時全開點燈會使白光LED的耗電量增加。
- ●電源電壓變動會影響白光LED的輝度。
為了使白光LED能穩定點燈，且不受電壓VF本身波動值以及電源電壓變動的影響，所以必需使用專門的白光LED驅動器。
白光LED驅動電路
基本驅動電路
如(圖六)所示，一般switching regulator是設法使feed back電壓VFB，與內部基準電壓VREF相等進而控制電壓，因此決定白光LED亮度的電流ILED可由(公式一)求得。如果將周圍的亮度也列入輝度控制電路時，如圖六的白光LED驅動電路就變成(圖七)所示的結構。圖七的電路與圖六的電路最大差異點，是圖七的電路增加設置photo transistorTR1、電阻R1,R2與voltage follower的OP增幅器（演算增幅器）IC1，此時流入TR1輸出電壓VSENS與白光LED的電流ILED可用下式表示：
此處假設時，則式(1)變成下式。
| 《公式四 ------------------------(2)》 |
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換句話說利用上式驅逐白光LED的場合，必需作下列調整作業：
- ●為獲得周圍亮度必需調整照度感測器（sensor）的輸出電壓VSENS。
- ●利用輸出電壓VSENS調整白光LED的亮度。
| 《圖六 switching regulator構成的基本LED驅動電路》 |
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利用PWM信號使switching regulator作ON/OFF的輝度控制電路
上述圖七的驅動電路是在feed back電壓進行輝度控制，相較之下圖八是利用PWM信號使switching regulator作ON/OFF控制輝度。圖中的EN端子是可使switching regulator作ON/OFF的端子，如果對EN端子施加PWM信號，白光LED會以某種速度作ON/OFF，進而獲得控制輝度的預期效應，這種情況必需設置可使photo transistor TR1的輸出轉換成數位值的A-D轉換器（converter），以及可從數位值產生PWM信號的電路。
利用PWM信號控制白光LED ON/OFF的場合，流入白光LED的平均電流ILED(avg)可用下式表示：
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