用于各种最终应用的LED

电源产品部

产品市场经理

凌力尔特公司

背景

用来驱动白光 LED 的 LED 驱动器集成电路约占总 LED 驱动器市场的 50%，白光 LED常用来为很多电池供电型手持式便携产品的小型显示屏提供背光照明。不过，这类照明应用已经成熟，未来 5 年不会有很高的年复合增长率。就 LED 照明应用而言，增长率远高于手持式产品背光照明市场的 3 个最大的市场依次是：汽车前灯照明、大型 LCD TV 和通用照明。

LTC3219

尽管如此，就 LED 应用进入很多模拟集成电路供应商的主流业务领域而言，2007 年是关键的一年。在这一年中，LED 本身满足了一些关键性能标准，这将导致对 LED 驱动器集成电路需求的极大增长， LED 驱动器集成电路是在各种最终应用中为 LED 供电所必需的器件。

不过，尽管取得了一些重大进步，在能量转换效率、热量管理和生产成本方面，LED 仍然有进一步提升的空间。例如，LED 效率已经极大提高。LED 的众多改进源自能在芯片内更好地产生光以及有更好的方法从芯片及其封装中抽取光。类似地，20mA 白光 LED 的售价已经大幅降低。这种 LED 刚推出时，批购报价为 1 美元。而现在，有可能以不到 20 美分的批购价买到 20mA 的白光 LED。

LED 光输出的一些基本条件

所有这些进步不仅促进了 LED 作为照明源在不同应用中的采用，同时还刺激了对为其供电的 LED 驱动器集成电路的需求。为了了解设计和制造这些 LED 驱动器集成电路有什么障碍，有必要了解白光 LED 发光需要什么条件。白光 LED 必须由恒定电流源驱动，这样白色光点才不会移动（也就是，亮度必须一致）。另外，因为白光 LED 是二极管，其内部正向压降（Vf）必须克服。这个 Vf 随着白光 LED 的额定电流不同而变化，也会随着温度变化而改变。一个典型 20mA 白光 LED 的 Vf 于整个工作温度范围内在 2.5V 至 3.9V 之间变化。大多数应用使用一个以上白光 LED，还可以让这些 LED 配置为并联、串联或串并联 (例如 : 串联的 LED 串再并联)。这意味着，白光 LED 驱动器集成电路必须能够为特定配置的 LED 提供充足的电流和电压，而且采用的转换拓扑要满足输入电压范围和所需输出电压及电流的要求。

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白光 LED 与 RGB LED

与色谱有限、色彩不够鲜明的冷阴极荧光灯（CCFL）相比，RGB LED 实际上扩展了可见光范围。在美国国家电视系统委员会（NTSC）定义的颜色中，CCFL 能显示出约 80%，而 RGB 可以显示出多达 110% 的 NTSC 色谱，从而可在显示屏上更准确地显示出图像的本原风貌。另外，采用 3 个单色光源，如红色、绿色和蓝色（RGB）激光，可以获得可能实现的最广色谱。

同时，白光 LED 背光照明非常适用于手持式和移动显示屏，因为白光 LED 外形尺寸小、简单易驱动、对机械应力不那么敏感且与 CCFL 比较预期寿命长两倍。不过，白光 LED 在色谱方面与 CCFL 有同样的缺点，因为白光 LED 等同于宽带光源。白光 LED 是蓝光二极管覆盖荧光粉形成的，它把部分蓝光转变成黄光，组合形成的光谱被视作白光。尽管最近所谓的暖白光 LED 提高了与 NTSC 色谱的匹配程度，但是白光 LED 这个缺点并没有从根本上克服。

与单色光源相比，RGB LED 以较低的成本提供接近窄带的色谱。RGB LED 不仅改善了色谱，而且还提高了效率，因为 RGB LED 只按照所需要的红光、绿光和蓝光发射光能。相对而言，宽带光源 (如白光 LED 和 CCFL) 发出了较多不需要颜色的光，降低了色谱的纯度，因此损失了效率。既然不同颜色的 RGB LED 可以单独驱动，那么 RGB LED 的白光点或色温就可以校正，而 CCFL 和白光 LED 的白光点都是固定的。

在有些实例中，与白光 LED 相比，用 RGB LED 为显示器提供背光照明时，即使需要更多的 RGB LED (并因此需要更多的 RGB LED 驱动器)，但是考虑到较宽的色谱和颜色更准确的图像，增加系统设计师的设计复杂性仍然是值得的。由于 RGB LED 较宽的色谱极大地提高了画质，因此使用 RGB LED 而不是白光 LED 是有道理的，因为消费者在决定购买哪种型号的 LCD TV 时，可能会因为色彩鲜明而愿意多付钱。不过，使用 RGB LED 时，解决方案尺寸更大、更复杂且更加昂贵。因此，如果在采用较宽色谱却不允许最终产品提高价格的应用中，用白光 LED 解决方案作背光照明源是一种可接受的选择。

通用 LED 驱动器集成电路

凌力尔特公司的 LTC3219 是一个无电感器、低噪声、高效率的 LED 驱动器，用于蜂窝电话显示屏和通用状态显示照明。该集成电路提供 9 个独立的可配置“通用”电流源，用于蜂窝电话的主（Main）、副（Sub）、辅助（AUX）和 RGB 显示屏，参见以下图 1。显示屏电流通过一个精确的内部电流基准设置。通用电流源能以数字方式控制，具有独立的调光、亮度、闪烁和灰度控制，可通过简单的两线 I2C 串行接口编程。LTC3219 的 2.9V 至 5.5V 输入电压范围已经为单节锂离子/聚合物电池应用而优化。用锂离子电池（标称电压为 3.6V）驱动时，效率达到 91%，静态电流仅为 400uA，从而最大限度地延长了电池工作时间。转换率受限开关降低了传导和辐射噪声（EMI）。

图1：典型 LTC3219 应用原理图显示主、副和 RGB 显示屏。

LTC3219 的多模式充电泵能以低噪声恒定频率工作，基于 LED 电流源上的电压自动优化效率。该器件加电时进入 1x 模式，当任何正在工作的 LED 电流源快出现压差时，自动切换到升压模式（1.5x），随后的压降将把该器件切换到倍压（2x）模式。内部电路在启动和模式切换时防止浪涌电流和过大的输入噪声。另外，该器件具有短路和热保护，采用扁平（0.75mm）20 引线 QFN（3mm x 3mm）封装。该集成电路仅需要 5 个小的电容器，就可组成一个纤巧、完整的 LED 电源和电流控制器解决方案。

如果客户最想获得灵活性，同时仍然希望有良好的性能，就可以使用 LTC3219。这种灵活性的体现是，LED 电流源在哪里都可以编程。另外，如果需要一个高达 5.5V 的输入电压，那么 LTC3219 可以满足这种输入电压要求。由于缺乏专用相机 LED 驱动器，因此 LTC3219 还可用于在较低电流的相机闪光灯应用中。

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最近在无电感器通用充电泵领域出现的另一个创新是 LTC3220/-1。这是一个高度集成的无电感器、低噪声、高效率 LED 驱动器，用于蜂窝电话显示屏和通用状态显示照明，参见以下图 2。这个集成电路提供 18 个独立的可配置“通用”电流源，用于蜂窝电话的主、副、辅助和 RGB 显示屏以及其它通用照明应用。显示屏电流通过一个精确的内部电流基准设置。通用电流源能以数字方式控制，具有独立的调光、亮度、闪烁和灰度控制，可通过简单的两线 I2C 串行接口编程。LTC3220 的 2.9V 至 5.5V 输入电压范围已经为单节锂离子/聚合物电池应用而优化。用锂离子电池（标称电压为 3.6V）驱动时，效率达到 91%，静态电流仅为 580uA，从而最大限度地延长了电池工作时间。转换率受限开关降低了传导和辐射噪声（EMI）。

图2：LTC3220/-1 典型应用原理图。

LTC3220 的多模式充电泵能以低噪声恒定频率工作，基于 LED 电流源上的电压自动优化效率。该器件加电时进入 1x 模式，当任何正在工作的 LED 电流源快出现压差时，自动切换到升压模式（1.5x），随后的压降将把该器件切换到倍压（2x）模式。内部电路在启动和模式切换时防止浪涌电流和过大的输入噪声。另外，该器件具有短路和热保护，采用超扁平（0.55mm）28 引线 QFN（4mm x 4mm）封装。与 LTC3219 类似，该集成电路仅需要 5 个小的电容器，就可组成纤巧、完整的 LED 电源和电流控制器解决方案。

LTC3220/-1 基于今天市场上提供的 LED 驱动器，是集成度最高的通用充电泵。它最突出的优点是提供客户设计灵活性，同时仍然具有良好的性能。这种灵活性的体现是，LED 电流源在哪里都可以编程。

结论

LED 在不断取代较旧的照明技术，无论是 CCFL 还是白炽灯，因为 LED 外形尺寸小、寿命长且能量效率高。尽管在如何根据 LED 的配置及输入源正确驱动 LED 方面，系统设计师仍然面临着一些设计挑战，但是这种取代趋势一直没有改变。

不过，很显然，在未来很多年内，利用白光 LED 作为主要照明源的趋势仍将继续。与可替代产品相比，白光 LED 的长寿命、高可靠性和高效率能量转换非常引人注目，人们不可能弃之不用。同时，不断采用白光 LED 将刺激对 LED 驱动器集成电路的需求，这种驱动器是为白光 LED 供电所必需的。不过，幸亏有凌力尔特公司这样的 LED 驱动器供应商，才有大量产品可供客户根据所需的 LED 类型及性能参数进行选择。