本文针对如何选择正确的白光LED驱动器，介绍了电感式驱动器和电荷泵驱动器、它们的局限以及如何权衡考虑。作者还讨论了如何评估白光LED驱动器的典型特性，并提供了外部零组件选择指导以及实际的设计范例和布局考虑。

今日的许多可携式消费电子产品都有显示屏幕，例如行动电话、PDA和MP3播放器等，虽然屏幕的种类和大小通常是根据应用决定，但设计工程师必须负责为它设计电源和背光电路。白光LED是可携式消费电子产品目前最常采用的背光方案选择。

驱动白光LED的主要目标是产生正向电流通过组件，这可采用恒压源或恒流源来实现。图1是成本最低的解决方案，它将白光LED串联一个镇流电阻(RB)，再于电路的两端加上恒压源。然而这种方法有其缺点，镇流电阻会限制通过的电流，白光LED的非线性V-I曲线也让这种方法的稳流能力非常差；此外，只要外加电压或白光LED的正向电压(VF)有任何变动，白光LED的电流都会改变。当额定正向电压为3.6V时，会有20mA电流通过图1的白光LED，若温度或制程改变让此电压变为4.0V(仍在正常的3V至4V容差范围内)，正向电流就会下降至14mA；换言之，正向电压只要改变11%，正向电流就会出现30%的大幅度变动。这种白光LED电流的极端改变会影响显示器亮度，这是许多应用无法接受的。比较理想的白光LED驱动方式是采用恒流源，它能避免白光LED正向电压改变而造成的电流变动，即使用可控制的恒定正向电流，就能提供可控制的恒定显示亮度。恒流源的产生非常简单，控制器不需将电源输出稳压，而是如图2所示，直接针对电流感测电阻的两端电压进行稳压，此时通过白光LED的电流是由电源供应的参考电压值和电流感测电阻值来决定。绝大多数显示器都需要多个白光LED，若设计人员要灵活地驱动多个白光LED，他们应将所有白光LED串联，确保每颗白光LED的电流都相同。若要以并联方式推动白光LED，每个白光LED都必须串联一个镇流电阻，避免通过它们的电流出现差异，但是这些电阻也会浪费功率，降低电路效率。

电感式驱动器和电荷泵驱动器的比较

所有专为驱动白光LED而设计IC都提供恒定电流，其中绝大多数是基于电感或电荷泵的解决方案，这两种解决方案各有其优缺点。电荷泵解决方案或称为开关电容器解决方案，利用分离电容器将电源从输入端传送至输出端，整个过程不需使用任何电感，所以是受欢迎的解决方案。电荷泵电源的体积很小，设计也很简单，选择组件时通常只需根据组件规格从中挑选适当的电容器。电荷泵解决方案的主要缺点是它只能提供有限的输出电压范围，绝大多数电荷泵IC的转换比率最多只能达到输入电压的两倍，这表示输出电压不可能高于输入电压的两倍，因此若想利用电荷泵驱动一个以上的白光LED，就必须采用并联驱动的方式。利用只能对输出电压进行稳压的电荷泵驱动多个白光LED时，必须使用镇流电阻来防止电流分配不平均，但这些电阻会减少电池的寿命。

电感式解决方案体积小、效率高，适合为绝大多数消费性产品提供更长的电池使用时间。本文将会证明，设计人员可以调整电感式转换器的效率，以便在体积和效率之间取得最佳平衡。由于大多数电感式解决方案都是采用升压转换器(图2)，它们最多能驱动六个或七个串联的白光LED，这种做法有其优点，因为许多显示器内建的白光LED都采用串联模式；就算并未将白光LED内建于显示器屏幕中，大多数工程师还是会将它们串联在一起。背光驱动器和白光LED通常会在不同的电路板上，因此必须将电源从一块电路板连接至另一块电路板。驱动五个并联的白光LED共需使用连接器的六个接脚，驱动串联在一起的五个白光LED只需要两个接脚。

白光LED驱动器的特性

许多应用的屏幕需要背光调整功能，例如PDA等产品的使用者就能调整屏幕亮度，以适应周围环境，还有许多产品的处理器会在系统闲置一段时间后，自动降低或切断背光电源。调光功能的实现方法可分为两种：模拟和PWM。采用模拟调光技术时，只需将白光LED的电流降至最大值的一半，就能让屏幕亮度减少50%。这种方法的缺点包括：白光LED色移；需要模拟控制讯号。PWM调光技术在减少的电流占空周期内提供完整电流给白光LED，例如要将亮度减半，只需在50%的占空周期内提供完整电流。PWM讯号频率通常会超过100Hz，以确保这个脉冲电流不会被眼睛察觉，PWM频率的最大值需视电源的启动和反应时间而定；为了得到最大灵活性，同时让整合更容易，白光LED驱动器最高应能接受50kHz的PWM频率。调光讯号通常来自系统处理器的GPIO接脚。

在出现开路故障的情况下，恒定电流的白光LED驱动器需要过电压保护。如上所述，白光LED和驱动器通常在不同的电路板上，因此连接器的接脚松脱就会造成开路故障，另一个可能性则是白光LED出现造成开路。无论是那一种情形，驱动器为了提供恒定电流，都会增加它的输出电压，此时若无保护电路，输出电压很快就会升高，对IC或输出电容器造成损害。保护驱动器的最简单方法是选择内建过电压比较器的IC，并利用此功能来限制最大输出电压，例如TPS61043就具备这项功能。齐纳二极管也可用来限制最大输出电压，然而这种做法的效率很低，因为在故障情况下，会有预先设定的最大电流通过齐纳二极管。

白光LED驱动器电源常被忽略的一个特性就是负载切断。在电源关掉时，负载切断可从电气上将白光LED与输入源切断。这项特性在两种情形下非常重要：关机和PWM调光。如同图2所示，就算升压转换器的电源被切断，负载仍会经由电感和逆向电压保护二极管(catch diode)连接到输入端。由于输入电源仍连接至白光二极管，就算电源停止工作，依然会有很小的电流继续通过。可携式产品可能有高达95%的时间处于待机状态，就算泄漏电流非常小，电池寿命也会大幅减少。负载切断特性对于PWM调光也很重要，因为在调光停止期间，电源虽然不供应电流，但输出电容器却仍连接至LED，若没有负载切断特性的协助，输出电容器就会通过LED继续放电，直到调光脉冲让电源进入导通状态。由于输出电容器在每个调光周期刚开始时都处于部份放电状态，电源也必须在周期开始时对这些输出电容器进行充电，使得每个周期都会出现涌入电流尖波，这个涌入电流不但会降低系统效率，还会在输入电源线路上造成电压瞬时变动。有了负载切断功能，LED与电路的联机就会切断，当电源供应停止导通时就不会有泄漏电流，输出电容器也能在PWM调光周期之间保持满电位状态。负载切断电路的最佳实现方法是在LED和电流感测电阻之间加入MOSFET晶体管，因为将MOSFET晶体管加在电流感测电阻和地线之间会造成额外的电压降，此电压还会成为输出电流设定点的误差电压。

设计实例

这里以设计一部多功能手机屏幕的白光LED驱动器为例，电源是由输入电压在2.7V至4.2V之间的锂电池供应。手机屏幕内建四个串联的白光LED，每个的最大正向电流为20mA，这种设计需要20mA最大输出电流和4×4V=16V电压。该手机规格要求有屏幕亮度调整功能，手机在闲置一段时间后，能够逐渐降低屏幕亮度。系统处理器通常是由OMAP组件，负责提供PWM调光功能所需的数字讯号。电池寿命是主要考虑因素，因此效率应尽量提高。手机屏幕大约有98%的时间处于待机模式，因此需要真正的负载切断功能，以便延长电池的使用时间。手机受到体积限制，需要小型的整合化解决方案，TPS61043能满足这些要求，它是电感式升压转换器，内建功率FET晶体管，也是专为白光LED而设计驱动IC。TPS61043还提供负载切断、过电压保护和PWM调光功能，1MHz开关频率让此IC能够使用体积最小的外部零组件 。

主要的工程挑战在于选择正确的外部组件，同时完成适