CTIMES- 淺談白光LED控制器驅動技術 :微控制器

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。

《圖二　並聯驅動LED》

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。

《圖三　串聯驅動LED》

(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：

《公式一》

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》

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。

《圖五　周圍溫度與容許順向電流之關係》

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：

《公式三:》

此處假設時，則式(1)變成下式。

《公式四》

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》

《圖七　利用周圍照度控制LED輝度的驅動電路》

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：

《圖八　利用PWM信號控制LED輝度的驅動電路》

白光LED專用驅動電路

接著要介紹白光LED專用驅動電路用NJU6502 IC。(圖九)是NJU6502 IC的電路方塊圖，NJU6502 IC除了switching regulator之外，還具備photo transistor輸入電路、A-D轉換器、PWM控制器，以及可從微控器（micro controller）設定內部阻抗值與動作模式的serial interface。PWM控制用電阻（resistor）共有八個，每個電阻都可任意設成六位元，各電阻可利用周圍照度亦即photo transistor產生的輸入電壓作選擇，換句話說輝度的控制可由64階段的其中任意八階段執行，此外周圍照度亦可由微控器直接控制輝度。

《圖九　NJU6052IC的電路方塊圖》

NJU6052 IC應用實例

由(圖十)可知NJU6052 IC除了可以作升壓與輝度控制之外，電路本身的外置元件非常少。NJU6052 IC的各元件參數（parameter）取決於下列條件：

(1)負載阻抗RL

由於內部基準電壓VREF為0.6V，因此負載阻抗RL可利用流入LED的電流以及下式求得：

《公式六》

(2)內部振盪器的電容量CX

內部振盪器的電容量CX可利用(圖十一)的座標圖求得。由於振盪頻率fosc介於350kHz～500kHz之間，因此內部振盪器的電容量約為47pF～68pF左右。

(3)的電感值（inductance）

的電感值（inductance）可用下式求得：

《公式七》

(4)二極體的選用

由於二極體是用於switching regulator，因此選用時必需注二極體的定格電流與逆向耐壓裕度。此外順向電壓越低，switching的速度越快，電力轉換效率就越高，因此可選用shot key barrier二極體。

(5)pass control的選用

輸入端可選用積層陶瓷積層陶瓷電容器，而且組裝時盡量設於IC附近。此外輸出端基於抑制波紋（ripple）電壓等考量，因此建議選用低ESR的電容。雖然輸出端也可以使用積層陶瓷電容器，不過必需注意的是如果電容量太大時放電時間會變長，進而造成與PWM信號的duty比成一定比例的調光控制無法進進行。

《圖十　利用NJU6052KN1 IC構成白光驅動電路》

《圖十一　與的關係》

結語

以上介紹有關可攜式電子產品的液晶顯示器用白光LED的驅動技術，白光LED專用的驅動IC可使驅動電路獲得小型、高點燈效率等特性，進而使可攜式電子產品的電池延長動作時間。

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