一、白光 LED 的并联驱动问题

许多便携式或电池供电设备使用白光 LED 作为背光：PDA 彩色显示器需要白色背景光，以恢复接近原物的色彩；支持图片和视频数据的 3G 手机同样需要白色背光；数码照相机、MP3 播放器和其他视频、音频设备也包括需要白色背光的显示器。在绝大多数应用中，单个白光 LED 是不够的，需要同时驱动几个 LED，并且必须采取专门的措施，确保它们的强度和色彩一致，即使电池放电或其他条件发生变化。

图 7 给出了一组随机挑选的白光 LED 的电流—电压曲线。在这些 LED 上加载 3.3V 电压（上端虚线）会产生 2mA 至 5mA 范围的正向电流，导致亮度不同的白光；该区域中（如图 5 所示）Y 坐标变化很剧烈，会造成显示色彩失真。同样，LED 之间也存在光强差异，会产生不均匀的亮度。另一个问题是所需的最小供电电压：LED 要求高于 3V 的电压驱动，低于该电压时几个 LED 可能会完全变暗。

图 7：曲线显示了不同白光 LED 电流—电压特性的相当大差异，甚至从同一批次中随机挑选的 LED 也是如此，因此用恒定的 3.3V 驱动这样几只并联的 LED 会导致亮度不一的白色。

锂电池完全充满电时输出电压为 4.2V，在很短的一段工作时间内会下降到标称的 3.5V，随着继续放电还会进一步下降到 3.0V。如果白光 LED 直接由电池驱动（如图 3 所示），会产生如下问题：电池充满电时所有二极管都被点亮，但具有不同的光强和色彩；电池电压下降至标称值时，光强减弱，白光之间的差异变得更大。因此设计人员必须同时考虑电池电压和二极管正向电压的数值，据此计算串联电阻的阻值。随着电池彻底放电，部分 LED 将会完全熄灭。

二、带电流控制的电荷泵

LED 供电电源的目标是提供一个足够高的输出电压，并且在并联连接的 LED 上加载同样的电流。注意到图 5 表明：如果并联配置的所有 LED 具有一致的电流，那么它们将会具有相同的色彩坐标。带有电流控制的电荷泵可以实现这一目标。

图 8 所示电路驱动三只并联的 LED。该电荷泵具有较大量程，可以把输入电压升高至 1.5 倍——早期的电荷泵只能简单地把输入电压倍压，新技术则提供了更好的效率，可将输入电压升高到恰好可以驱动 LED 工作的电平。连接至 SET（10 引脚）的电阻网络保证所有 LED 的电流一致：内部电路保持 SET 电平在 200mV，若该电阻为 10Ω，则流经每只 LED 的电流 ILED=200mV/10Ω=20mA。

如果某些二极管需要较低的电流，可以同时并联驱动 3 只以上的 LED，此类器件的输出电流可达 60mA。

图 8：集成电路内部包括电荷泵和电流控制，电荷泵为白光 LED 提供足够的驱动电压，电流控制则通过给每只 LED 加载同样的电流来确保均匀的白光。

三、简单电流控制

如果系统提供的电平高于二极管正向导通电压，白光 LED 就很容易驱动。例如数码照相机通常带有 5V 供电电源，此时不需要升压功能，因为供电电压足以驱动 LED，只需选择一个匹配的电流源，比如 MAX1916 可以同时驱动 3 只并联的 LED（图 9）。

图 9：单个外部电阻（RSET）设定流经每只 LED 的电流数值；在集成电路的使能引脚（EN）上加载脉宽调制信号可以实现简单的亮度控制（调光功能）。

这种方法工作简单：电阻 RSET 设定加载至所连 LED 的电流，占用很少的 PCB 面积——除集成电路（小巧的 6 引脚 SOT23 封装）和几个旁路电容之外，仅需要一个外部电阻。集成电路具有极好的电流匹配，不同 LED 之间的差别为 0.3%，因此各 LED 处于相同的色彩区域，具有一致的白光亮度。

四、调光改变光强

某些便携式设备根据环境光线条件调节其光输出亮度，有些设备在一段较短的空闲时间之后通过软件降低光强。这都要求 LED 具有可调光强，并且这种调节应以同样的方式影响每路正向电流，以避免可能的色彩坐标偏移。利用小型数模转换器控制流经 RSET 电阻的电流，可以得到均匀的亮度：6 位分辨率的转换器，比如带 I2C 接口的 MAX5362 或带 SPI 接口的 MAX5365，能够提供 32 级亮度调节（图 10）。由于正向电流会影响色彩坐标，LED 的白光会随着光强变化而改变，但这并不是问题，因为相同的正向电流会使这一组中的每只二极管发出同样的光。

图 10：数模转换器通过一致改变 LED 的正向电流来控制调光。

使色彩坐标不发生移动的调光方案是脉宽调制，它能够由绝大多数可以提供使能或关断控制的电源器件实现。例如通过拉低 EN 电平禁止器件工作时，可以将流经 LED 的泄漏电流限定在 1μA，使发射光为零；拉高 EN 电平则可以控制 LED 的正向电流。如果给 EN 引脚加脉宽调制信号，亮度就与该信号的占空比成正比。由于流经每只 LED 的正向电流持续保持一致，色彩坐标不会偏移，但肉眼会感觉到占空比改变带来的光强变化。人眼无法分辨 25Hz 以上的闪烁，因此 200～300Hz 的开关频率是 PWM 调光的较好选择；更高的频率会产生问题，因为在切换 LED 开关的短暂时间间隔内色彩坐标会发生变化。PWM 信号可以由微处理器的 I/O 引脚或其外设提供，可提供的亮度等级取决于所用计数寄存器的字节长度。

五、带电流控制的开关模式升压转换器

除前述电荷泵方案之外，还可以采用带电流控制的升压转换器。例如开关模式电压转换器 MAX1848 可以产生最高至 13V 的输出电压，足以驱动三只串联的 LED（图 11）。这种方法也许最为简洁，因为所有串联的 LED 具有完全相同的电流；LED 电流由 RSENSE 与加载在 CTRL 输入上的电压共同决定。

图 11：MAX1848 构成的升压转换器驱动三只串联 LED，通过 CTRL 引脚上的电压控制 LED 电流。

MAX1848 可以根据前面所述的任一方法实现调光功能：流过 LED 的正向电流与加载在 CTRL 引脚的电压成正比；由于加载在 CTRL 上的电压低于 100mV 时 MAX1848 会进入关断模式，这样也可以实现 PWM 调光。

小结

如果能够通过使 LED 正向电流相等而确保白光发射的均匀性，就可以并联驱动白光 LED。为驱动 LED，应选择可控的电流源或者带有电流控制的升压转换器，采用电荷泵或开关升压转换器均可实现。

本文由美信集成产品公司提供。