利用低漏失LDO实现低电压的WLED驱动

　　白光发光二极管（WLED）已受到广泛应用，主因在于WLED可用于提供可携式电子产品显示器的背光。一般认为单一WLED需要4伏特的驱动电压，由于锂电池提供3.6伏特的电压，因此一般业界认定需要升压转换器（Step-up Converter），才能以单颗锂电池进行WLED的供电，因此许多IC都可用于驱动WLED，其中大部分需要外部电感或飞驰电容器（Flying Capacitor），才能将电池电力提升到足够的电压。

　　由于WLED技术日渐成熟，因此正向电压的需求逐渐减少，目前有许多LED的一般正向电压（VF）範围介于3.2～3.5伏特，最大範围则介于3.7～4伏特之间。资料表通常针对大约15～25毫安培的LED电流指明这类电压。本文探讨较低电流的应用，以及这些应用如何影响WLED的正向电压，文中也以德州仪器（TI）全新的LED驱动器TPS75105为例，说明如何以较小体积与较低成本有效驱动这些较低电压LED。

　　透过I-V曲线 辨析WLED应用正向电压

　　WLED与其他标準p-n接面二极管类似，必须有足够的正向电压才能导电。当电压超过临界值时，会以WLED的正向电压提升正向电流。图1显示两个WLED的一般I-V曲线。

　　

　　图1　一般WLED I-V曲线

　　判读此图相当容易。在一般二极管I-V曲线上，当电压超过临界值时，电流便会随着电压急遽提升。图1a显示装置的一般正向电压经指定为3.2伏特，正向电流为20毫安培，处理过程及温度变化中最高出现3.7伏特。从中可看出应用需要升压直流对直流（DC-DC）转换器，才能以单颗锂电池的3～4.2伏特输出驱动WLED。然而，实际状况并非如此。以5毫安培WLED电流应用为例，图1a的曲线显示驱动5毫安培所需的正向电压大约是2.9伏特，此远低于资料表显示的驱动20毫安培所需一般电压，因此，只须使用3.6伏特锂电池即可驱动2.9伏特输出电压，完全毋需升压转换器。

　　WLED的规格涵盖批次间程序及製作变化的一般值及最大值，资料表提供的I-V曲线通常是元件符合一般规格的情况，虽然曲线形状对于製作的各零件都有效，然而视个别装置的不同测试条件，曲线会偏右或偏左。若使用前例中相同零件编号的其他LED，在一般测试条件（20毫安培正向电流）下测出的正向电压为3.7伏特（额定上限），此电压比一般装置高出0.5伏特，这表示需要3.4伏特（2.9伏特加上0.5伏特）的最大正向电压，才能以5毫安培驱动此WLED。根据应用的截止电压，毋须使用升压转换器，便能够以5毫安培驱动这个特殊WLED。藉由这项技巧可判断任何应用的最大正向电压。

　　温度变化影响LED特性

　　某些应用要求WLED在极端温度的较严峻环境下运作，温度变化会影响LED特性，但是对于低电流与高电流的影响并不十分强烈。图2中来自一般WLED资料表的图形显示正向电压与温度两者之间的关係。

　　

　　图2　正向电压与温度之间的关係（日亚NSSW100CT）

　　此图显示温度的关联性随着电流与正向电压的增加而更为显着。此外，一旦温度升高，正向电压便会降低。5毫安培曲线显示，从室温（25℃）变化至额定上限温度（85℃）时，正向电压大约降低0.1伏特，判断所需的正向电压时，应将此纳入考量，不过其中的影响不甚明显。若特定应用要求在极寒冷的环境下驱动LED，则正向电压增加时，会降低低输入电压的亮度。

　　实现极小型LED驱动器　解决方案

　　一般驱动多重WLED的方法是将这些WLED串联，然后以电感升压转换器或电荷泵浦驱动串联串列，对于需要较高正向电压的较高WLED电流而言，此为绝佳的方法。然而，如前所述，并不是所有的WLED驱动器应用都需要升压转换器，低电流WLED应用的较简易且较低成本驱动器为极小型TPS75105 LED驱动器IC。

　　TPS75105属于线性电源，包含极低的28毫伏特漏失电压，适用于驱动分为个别两组的四个平行WLED，此装置在个别启动的两组中提供四个2%相符电流路径，採用极小型9球1.5平方毫米晶圆级晶方尺寸封装（WCSP），毋需任何外部元件，即可使用预设电流输出，因此体积缩小为1.5平方毫米。图3显示TPS75105的应用电路。

　　

　　图3　TPS75105应用电路

　　乍看之下，使用低漏失线性电路似乎不切合实际，因为线性稳压器（LDO）一直存在效能不彰的问题。事实上，一般都对于LDO存在误解，LDO效率完全根据输入/输出电压比而定，因此驱动WLED的效率相当高，如以3.6伏特锂电池的输入电力驱动3伏特WLED，能够达到83%的LED效率。图4显示锂电池範围内，多种不同WLED正向电压的TPS75105效能。TPS75105的LED效率不亚于甚至优于其他WLED驱动器解决方案。

　　

　　图4　TPS75105 LED效率

　　图5显示锂电池放电曲线上TPS7510x LED效率。在所有叁条曲线中，整个放电範围的平均效率都超过80%，并且在WLED为3.3伏特时达到90%。由于本文着重于低电流应用，因此只要输入电压足够，TPS7510x便能够使各个LED达到25毫安培。这些应用都具有极小体积尺寸的优点。

　　

　　图5　锂电池放电曲线上的TPS7510x LED效率

　　评估LED驱动器应用时，必须特别考量应用需要多少电流。若需要的电流远低于应用WLED正向电压（VF）规格的电流，则必须检查WLED资料表I-V曲线，决定应用的实际VF。该应用可使用TPS75105之类的低漏失线性电源，以缩小体积并降低成本，同时不减损切换升压转换器的效率。