LED背光照明系统的设计方案选项

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LED正成为中小型彩色显示器背光照照明应用的主流器件。LED的选择是决定显示子系统设计最佳性价比的关键因素。此外，LED驱动IC能与较低成本的LED协同工作，通过多种方法提升现有LED的性能。除亮度控制外，这些驱动IC还能实现精确的亮度匹配。或允许使用一系列具备不同VF特性的LED。本文介绍各种基于LED的背光照明设计方案选项，以及在考虑成本因素和各种设计方法利弊的前提下，如何优化系统性能。
1.LED驱动电路
设计人员为便携应用选择LED驱动电路时，一般考虑成本和性能因素。系统设计的一个约束条件是可用电池功率和电压，其它约束条件还包括功能特性，例如针对环境光线作出调整及建立LED的架构。
LED可根据不问参数进行筛分，包括正向电压及特定正向电流时的色度和亮度。举例说，白光LED的正向电压范围通常为3.5~4V，典型工作电流为15~20mA。当多个LED在一个背光照明设备应用时，这些LED通常都会进行匹配，以产生均匀的亮度。因此，LED制造商所提供经“差异筛选”或匹配的LED，在某个特定电压范围内其VF或其它参数都是匹配的。这些VF差异通常为3.5~3.65V、3.65~3.8V，以及3.8~4.0V，飞兆半异体最新产品的指定电压为3V。低VFLED小型显示器设备应用，至于较大的彩色显示器通常需要较高的亮度，一般采用中等至高VF值的LED。
一般来说，LED的VF值是系统设计的重要变数。因为由普通电池供电的便携产品如蜂窝电话所使用单一的锂离子电池，其电压范围为2.7~4.2V。如果将系统对电池工作电压的要求设计为不低于3V，设计人员就可以直接使用低至3V且未经稳压的电池电压来驱动LED。
其它经区配的差异级别包括发光强度和色度。色度决定显示的颜色，大多与执行设计所使用的半导体工艺有关。电气工作条件对色度的影响很小。对于发光强度而言，筛选工艺可测量在给定正向操作电流下的发光强度。
2.使用LED驱动IC优化设计
目前，市场上已有能够驱动多个LED的驱动IC，其功能包括电压提升以至驱动多个串联LED，以便与每列包含一人或多个LED的多例LED进行电流匹配。特定驱动IC可提供独立于LEDVF的精确电流匹配，使用这类IC可省去VF差异筛选取的有关费用。另一项常用功能是亮度控制，有助于提供更多功能和改善电源管理。
3.多个LED的亮度匹配
小功率发光管制做大功率半导体灯使用的元器件多，结构复杂，装配麻烦。但由于小功率发光管价格低，灯的生产成本低。
大功率半导体灯的热设计
灯体的热结构设计是制作半导体灯的另一个不容忽视的问题。虽然发光管是冷光源，工作时自身不是灼热体，但电流流过发光二极管时产生的电阻热还是会使灯体升温，半导体材料制作的发光二极管在高温下会迅速老化，光效下降。要减缓发光二极管的光衰，使半导体灯有长的使用寿命，必须降低发光管管芯的温度，要降低管芯的温度，就要降低灯体温度，并且要减小发光管和灯体之间的热阻，这就要求解决好半导体灯的散热问题。
解决散热问题主要靠合理的灯体结构。一种解决方案是使用2--3mm的铝扳做基扳，大功率管直接安装在铝板上，管子之间用引线相连。小功率管可以按照使用的发光管的数目在铝扳上打好孔径和发光管外径相同的孔，再将发光管紧配合镶嵌到铝扳上，发光管引脚在铝扳后面相连。灯的外壳也用金属材料制作，装好发光管的铝扳和金属外壳紧密装配，这样，灯工作时产生的热量可以通过铝扳传导到金属外壳上，金属外壳暴露在空气中，热量就可以通过辐射和对流散去。暴露在空气中的金属外壳的表面积要按照约每瓦50平方厘米考虑。为了既减小灯的体积又保证较大的散热面积，灯体外壳应该是带肋条的散热片结构。最高管芯工作温度和热阻造成的管芯和管壳之间的温差是热设计最主要的考虑因素，对于大功率发光管来说，1瓦的大功率发光管热阻约20℃，也就是说，给标称功率1瓦的发光管输入1瓦的电功率管芯温度就比管壳高20℃。3瓦管热租约15℃，给3瓦管输入3瓦的电功率管芯温度就比管壳高45℃，因此，要使3瓦发光管制作的半导体灯和1瓦管制作的半导体灯管芯温度相同，3瓦管制作的灯灯体温度应该比用1瓦管制作的灯更低。反过来说，如果灯体温度相同，用1瓦管制作的灯管芯温度比用3瓦管制作的低。从这个意义上来看，用3只1瓦发光管作3瓦的灯比用1只3瓦管作3瓦的灯更有利于降低管芯的温度，并且3只1瓦发光管打出的光通量比1只3瓦发光管发出的光通量高。因此，用大功率发光管制作半导体灯要合理选择发光管。
为了减少发光二极管产生的热量，要选用光效高的发光管制做大功率半导体灯，因为在输入一定的电功率时，光效高的发光管发出的光能量高，发出的热能量必然少，这样就可以减小散热片的面积。
大功率半导体灯应用领域举例
一、彩色信号灯和彩色照明
大功率彩色信号灯和彩色照明如果用白炽灯做光源再滤光的办法，只能利用其中比例很小的有色光，大部分光谱都不能被利用，因此，实际光效极低。而用半导体灯，由于能用各种颜色的发光管直接生成所需要的光色，因此，实际光效比用白炽灯做光源再滤波的办法高得多，既节能又长寿命。典型应用如：信号灯、航标灯、草坪灯、广告灯、红灯笼等等。
二、背景灯勾边灯
大功率广告灯箱用的背景灯，装饰装潢和桥梁建筑等用的勾边灯，用其他光源不好实现，发光二极管可以随意布局，并且还可以根据需要选用各种颜色。
三、景观灯
在公园，旅游区等景观照明，也可以发挥发光二极管布局灵活，颜色多样性的优势，使风景更加亮丽。
四、路灯等公共照明
有些城市已经开始用半导体灯做路灯或者用于其他公共照明，这也是未来半导体灯重要的应用领域之一。
从发展趋势来看，未来几年内商品化的大功率白光发光二极管的发光效率就会普遍超过100流明，大功率半导体照明的节能优势必将出现。随着生产技术水平的提高和产量的增加，发光管的生产成本也会不断降低。外围技术方面，模块化的发光管专用电源变换器的品种已经十分完备，可以提供从1伏直流电到交流市电的各种原始电源的恒流变换，单个变换器的功率范围从一瓦以下到几十瓦，变换器体积小，效率高，稳定性好，工作可靠。半导体照明的核心技术和配套技术都在趋于成熟，应用范围从专用到通用，从小功率到大功率不断扩展，第四次照明产业的革命将为人类社会带来新的光辉。
将多个LED连接在一起使用时，正向电压和电流均必须匹配，整个组件才能产生一致的亮度。实现恒定电流最简单的方法，是将经过正向电压筛选的LED串联起来。筛选工作可由LED供应商进行，或在用户的制造场所完成。筛选过程能够按照设计人员的匹配要求建立已匹配产品的差异等级。
4.成本考虑
随着系统采用匹配LED的数量增加，有关成本也会因为所需的差异筛选工艺而相应增加。在这情况下，驱动IC提供了良好的解决方案。
最简单的驱动设计：串联
串联LED能确保供应至各个器件的电流一致。图1所示为驱动4个串联LED组件的典型驱动IC电路，它具有从LED到驱动电路的反馈功能和附加的调节电阻器，可以实现亮度调暗功能。
如果总体正向电压VF为12V的4个LED与16V驱动电路一起使用，就必须使用具有升压功能的简单LED驱动电路，以便为每个LED提供充足的电压。但由于经差异筛选LED的VF值存在一个变化范围，LED之间的压差会随之变化，有可能影响亮度的均匀性。
5.LED驱动IC选项
现有驱动IC还具有其它功能特点，包括软起动、短路保护，以及能将外围部件数减至最少的LED驱动电路。
6.并联设计选项在并联设计中，多个LED由具备独立电流的驱动电路来驱动。并联设计基于低驱动电压，因此无需带电感的升压电路。此外，并联设计提供低电磁干扰、低噪声和高效率，且容错性较强。在串联设计中，一个LED发生故障就会导致整个背光照明子系统失效，而并联设计可避免这种个严重缺陷。
7.有源电流匹配并联设计
现有两种用于并联配置的驱动IC：一种是具匹配VF的LED驱动IC；另一种是利用未匹配VF的LED驱动IC。
（1）驱动匹配的LED
图2（A）中的电路使用具有内部匹配电流源的LED驱动IC，来驱动并联的匹配LED。驱动IC在现有的3.3~5.5V总线电压下运行，LED的电流通过单一的外部电阻器来调节。由于不需要Dc-Dc转换进行升压，故无需采用外部电感，因此电路的电磁干扰和纹波可达到最小。如果电源电压稳定且经过稳压处理，VDD?VIN）和VcoNtrol便可连接在一起，且无需为每个LED配备额外的电流设置电阻器。如果有更高压的稳定电压，此电路还能为额外的串联LED提供匹配电流，但其电压必须至少为0.3V+N?VF，如图2（b）所示。
（2）驱动未匹配的LED
为了驱动未匹配的LED，并省去与差异筛选有关的成本，便需要使用可为每个LED捉供独立电流控制环路的IC。图3所示为驱动白光、蓝光或任何多色LED的电路；并使用具有此项功能的IC来获得均匀亮度。LED可拥有广泛的VF分布，而驱动IC将均匀地匹配各电流以获得均匀亮度，并可在现有的3.3~5V总线电压下运行。
（3）高效电路
图4所示为另一种使用未匹配白光LED的电路，可在通常无外升压线路的设备中。这个电路的驱动IC具有内置电荷泵升压，直接用锂离子电池驱动多达4个并联LED，并获得均匀亮度。
电路中的驱动IC会测量所有LED的VF，选出最高VF的LED，并将Vout提升至驱动这个最大VFLED所需的最低电平。该IC可驱动白光或蓝光LED，并获得均匀亮度。该电路可为每个LED提供独立的电流控制环路，因而无需进行LED预选或差异筛选。
8.矩阵设计：先进的白光LED驱动电路
矩阵设计驱动IC可为多个串联电路提供独立控制。采用高级LED驱动芯片，如图5所示飞兆半导体的FAN5608，就可使用未匹配的白光LED，而其升压电路具有智能感应功能，可将电压提升至恰好足够的水平，以驱动具有最高总体VF压降的白光LED串联组件。该串联驱动方案可以驱动两个独立的LED组件，各有四个串联LED，并具有独立的亮度控制功能。
每个串联信道具有独立的亮度控制，而且升压电路具有内置肖特基二极管，无需外部二极管，从而节省了电路板空间。内置升压电路的功效不低于90%，有助延长电池寿命，且具有软件启动功能、低电磁干扰和极少纹波等特点。各信道独立的LED控制使设计更为灵活，并只需一个驱动器即可同时驱动lcD和键盘。FAN5608驱动IC带有内置DAc，具有模拟感应功能，可让用户选择使用模拟，数字或PWm方式控制亮度。该驱动IC集成了温度控制功能，可将LED使用寿命提高达50%。
9.结语
LED背光照明应用有多种设计选项。根据应用的不同，设计选择范围包括从经差异筛选的低VFLED直接驱动，到采用驱动IC来驱动未匹配的LED。本文研究了各种配置的利弊和优势。现有的设计方案结合众多种类的LED和全线的驱动IC产品，能够优化系统成本、提高系统功效，以及通过有源亮度匹配和容错操作来达致更高性能。