高效率白光LED驱动IC－LC41059
最近几年可携式电子产品大多改用顺向电压为主3.6V（20mA）的白光LED当作背光照明单元。以行动电话为例大约使用3～4个白光LED，然而一般锂离子电池放电时的电压经常低于3.6V，为了符合LED 3.6V顺向电压的需求，因此必需借助升压电路才能获得预期的效果，也就是说白光LED驱动器必需具备以下特性:即使电池的输出电压下降，驱动器也能够提供充沛的白光LED顺向电压VF。可以同时驱动复数个白光LED。如图1所示白光LED驱动器可因LED连接方式，分为串联与并联连接两种。此处假设各LED的电流为20mA，顺向电压VF为3.6V，四个LED串联时总电流为20mA，总电压为14.4V；若是并联时总电流需要80mA，总电压为3.6V。由于结构上的特性造成各LED的电流分布非常大，加上IC本身的特性分布等因素，因此包含本文即将介绍的LC41059在内，一般LED驱动IC都是采用并联方式。http://www.go-gddq.com/upload/2007_05/070504025993361.jpg 图1 白光LED与驱动器的连接方式 LC41059白光LED驱动IC 图2是白光LED驱动IC LC41059的方块图，图中的VIN表示电源输入电压，它可以输入2.7"5.5V的电压；VREF是内部基准电压的输出，它不需仰赖VIN可以输出1.2V的电压；SD是输入shut down信号，输入"H"信号时，LC41059开始动作点亮LED，输入"L"信号时，LC41059停止动作LED关灯；RSET外设有产生定电流必要的电阻。输出电流VOUT是升压电路的输出，它与白光LED正极连接，VOUT可与振荡电路的输出同步产生波动(ripple)，此VOUT还与平整用电容连接，它的LED_IN1"LED_IN4则与连接白光LED负极。 http://www.go-gddq.com/upload/2007_05/070504025993362.jpg图2 LC40159的方块图 LC41059白光LED驱动IC是由以下三个单元构成，分别是:升压电路(charge pump)。定电流产生器。输出电流控制器。有关升压电路，它是采用charge pump方式，利用振荡电路与外部容量，未升压时可以产生1倍的电源输入电压VIN，或是1.5倍、2倍的电压输入至VOUT端。至于何时需要切换升压倍数，基本上取决于“VOUT最低时需要多少V ，亦即多少VOUTmin”。假设LC41059使白光LED点灯的电压为VLED，驱动Current Mirror晶体管（Transistor）的电压为VTr，如此一来:VOUT=VLED+VTr当VIN比VOUTmin大的时候不需要升压，所以是1倍（未升压，through）模式；反之由于电池的消耗造成VIN比VOUTmin小的话，首先切换成1.5倍升压模式使VOUT=1.5VIN，如果电池持续消耗时，1.5VIN一旦低于VOUTmin就切换成2倍升压模式使VOUT=2VIN，不过实际上由于负载电流会有压降问题，所以无法成为VOUT=1.5VIN或是使VOUT=2VIN等预期效果，必需将上述现象列入考虑，才能够决定切换升压倍数的timing。图3是LC41059白光LED驱动IC的VOUT与VOUT的特性。http://www.go-gddq.com/upload/2007_05/070504025993363.jpg图3 输入电压与升压电路的特性（总负载80mA时） 有关定电流产生器，它是由OP增幅器、晶体管与外置电阻构成。与输入到模拟辉度控制器端子BRGT的电压VBRGT相同的电压，因OP增幅器的虚拟短路（virtual shot）动作，被输出到RSET，此时外置电阻内部的电流IRSET可用下式表示:IRSET=VBRGT/RSET------------------(1) 由此可知它是属于定电流源。有关输出电流控制器，基本上它是由Current Mirror电路构想，输出电流控制器可以使经过40倍转换式(1)的电流值，均匀输出到LED_IN1"LED_IN4四个输出端，也就是说使Mirror前端Transistor的size变成Mirror40倍，如此便可以获得40倍的电流。各LED内的电流ILED可用下式表示:ILED=40ХVBRGT/RSET-----------------(2) Charge Pump的动作原理图4是2倍升压Charge Pump的动作原理示意图。请读者注意图中电容C1，相1上方的VDD电位与下方被GND电位充电后移至相2，由于下方变成VDD电位所以上方变成2VDD电位，在此同时会将C2的上方充电成2VDD电位。接着探讨C2的动作，由于相2被充电成2VDD电位并移转到相1，它的下方变成VDD电位，因此上方变成3VDD电位，在此同时将C3的上方充电成3VDD电位。有关C3的变化，由于相1被3VDD电位并移转到相2，它的下方变成VDD电位，因此上方变成4VDD电位，在此同时将Cout的上方充电成4VDD电位并提供给Iout，在相1 的Cout则提供Iout。http://www.go-gddq.com/upload/2007_05/070504025993364.jpg 图4 四倍升压charge pump的动作原理 图5的传统四倍升压charge pump，就是根据图4的charge pump动作原理制作；表A与表B分别是施加于电荷转送组件MOSFET M1"M4的电压一览表。其中表A中有记载4VDD施加于M1"M4的timing，这表示M1"M4必需由4VDD耐高压MOSFET构成，而它的动作原理与图4完全相同。有关charge pump的「动作效率」，这也是一般charge pump电路最受到诟病的主要缺点之壹。评鉴DC-DC converter性能时，经常使用的效率η可用下式表示:η=Pout/PIN=(IoutХVout)(IDDХVDD)------------(3)式中的Pout:输出电力， Pin:输入电力， Iout:输电流 Vout输出电压，IDD:输入电流，VDD:输入电压。假设图5的charge pump电力损失很低，例如VDD=3V，IDD=40mA 时，Vout≌12V，Iout=10mA，动作效率接近100%，然而实际上类似图5的电路结构，即使3倍以上升压可以维持很高的动作效率，却无法获得数mA以上的输出电流。 http://www.go-gddq.com/upload/2007_05/070504025993365.jpg图5 传统四倍升压charge pump电路（相1的电压/相2的电压） VS Va Vg Vb M1 VDD VDD 4VDD 0 M2 VDD 3VDD 0 0 M3 3VDD 3VDD 4VDD 0 M4 3VDD 4VDD 4VDD 4VDD（a）相1 VS Va Vg Vb M1 VDD 2VDD 0 0 M2 2VDD 2VDD 4VDD 0 M3 2VDD 4VDD 0 0 M4 4VDD 4VDD 0 4VDD（b）相2VS:source电压 Va:drain电压Vg:gate电压 Vb:基板电压 表A 利用图6电路对MOSFET施加电压 VS Va Vg Vb M1 VDD VDD 3VDD VDD M2 VDD 3VDD VDD VDD M3 3VDD 3VDD 4VDD 3VDD M4 3VDD 4VDD 4VDD 4VDD（a）相1 VS Va Vg Vb M1 VDD 2VDD VDD VDD M2 2VDD 2VDD 4VDD 2VDD M3 2VDD 4VDD 2VDD 2VDD M4 4VDD 4VDD 2VDD 4VDD（b）相2VS:source电压 Va:drain电压Vg:gate电压 Vb:基板电压表B 利用图8电路对MOSFET施加电压 为何传统升压charge pump电路的电力损失会如此严重，经过反复实验分析结果获得以下结论:⑴.电路整体的阻抗（impedance）过高。⑵.逆电流从输出端朝输入端。有关第⑴项电路整体的阻抗过高问题，主要原因是charge pump电路，使用耐高压MOSFET电荷转送组件，使得Vout输出电压急遽降低，无法有效提高动作效率，随着Iout输出电流的增加该倾向也越明显，因此Iout也无法变大。有关第⑵项逆电流问题，如果CLK与CLKB同时切换（switching）的话，在图6所示的timing内，所有MOSFET瞬间会变成 ，同时造成输入端与输出端被导通，最后形成上述的逆电流现象。http://www.go-gddq.com/upload/2007_05/070504025993366.jpg 图6 传统charge pump会有有MOSFET变成ON的问题 有鉴于此日本三洋公司针对以上问题，开发如图7所示新型四倍升压charge pump电路，本电路具体改善项目分别如下:针对source电压，使M1"M3基板电压常时变成0，藉此改善M1"M3基板电压。以source电压为基准，尽量使ON时的gate电压变成2VDD，OFF时变成0，藉此改善M1"M4的gate电压。各别控制M1"M4的ON/OFF timing，当切换（switching）时藉此timing使所有MOSFET都可以成为OFF状态。表B是施加于图7的M1"M4的电压一览。表中的2VDD耐压可以解决第⑴项的问题。此外为解决第⑵项的问题，如图8所示新型四倍升压charge pump电路中，设有切换时可以使所有MOSFET都可以变成 的时段，藉此防止输出端与输入端被导通。由于以上对策发挥预期的效果，因此该公司开发的新型Charge Pump，即使3倍升压仍旧可以维持极高的动作效率。由于升压电路动作效率高达95%，因此突破传统多段升压型Charge Pump只能获得数十 输出电流的困扰。http://www.go-gddq.com/upload/2007_05/070504025993367.jpg图7 新型四倍升压charge pump电路（相1的电压/相2的电压） http://www.go-gddq.com/upload/2007_05/070504025993368.jpg图8 所有MOSFET呈OFF时的Timing 如何维持LED的驱动电流维持LED的电流，对白光LED用驱动IC而言乃是最重要的课题。锂离子电池的输出电压，随着消耗情况通常会在3.2"4.1V 之间变动，白光LED的顺向电压VF大约是在3.0"3.8V范围内变动，面对上述变动特性如何抑制白光LED的电流波动，首先必需要了解升压电路的输出VOUT，究竟需要多少V（亦即多少VOUTmin）。依此获得的结论是升压切换timing必需具备充分的裕度，同时常时提高升压电路VOUT的输出，因为升压电路非常重视动作效率。以图9为例，升压从1倍切换成1.5倍朝高电源输入电压VIN端移动时效率会恶化。此处假设驱动LED的电力为PLED，电源的供给电力为Ps，动作效率η可用下式表示:η=PLED/Ps------------------------------------(4)同时驱动四个LED时的动作效率η:η=(VFХILEDХ4)(VINХIIN)Х100----------------(5)换句话说“使LED的电流维持一定，升压切换timing可作何种程度移动至低VIN端」才是设计重点，因此有些厂商针对白光LED的顺向电压VF不同分布，以及负载电流等结构特性的限制，特别设置检测系统，试图藉此方式取得最佳升压切换timing，它的缺点是制作成本有升高之虞。图10是日本三洋开发的高效率白光LED驱动IC LC41059的输入电压VIN与ILED的关系。http://www.go-gddq.com/upload/2007_05/070504025993369.jpg图9 输入电压与LED驱动效率（总负载80mA时） http://www.go-gddq.com/upload/2007_05/0705040259933610.jpg图 10输入电压与ILED的关系 LED辉度的调整LC41059白光LED驱动IC的辉度调整方法有两种，分别如下:⑴、模拟电压输入法。⑵、PWM点灭法。有关第⑴项模拟电压输入法，它是根据式(2)改变VBRGT，藉此使ILED发生变化。图11是模拟辉度控制电压VBRGT与ILED的关系，图中的RSET造成各种不同的倾斜，除此之外读者可以将它视为VBRGT装有调整旋钮形成的现象。http://www.go-gddq.com/upload/2007_05/0705040259933611.jpg 图11 模拟辉度控制电压VBRGT与ILED的关系有关第⑵项PWM点灭法，它是利用shut down特性使LED熄灯。具体方法是将0"1KHz的脉冲输入到SD端子，如此便可以同步使LED反复点灯、熄灯，至于点灯时间与熄灯时间的百分比，则是利用SD输入脉冲的on duty调整。例如周期为5μs的脉冲，"H"输出为3μs，"L"输出时为2μs时，duty就是60%。图12是ILED与on duty的关系。http://www.go-gddq.com/upload/2007_05/0705040259933612.jpg图12 On Duty与ILED的关系 结语以上介绍高效率白光LED驱动IC LC41059的动作特性，本IC的升压电路采用全新结构的charge pump，所以即使高倍数升压也可以获得极高的动作效率，这意味着本IC可以提供白光LED非常稳定的电力。
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