在現代電池供電設備中，發光二極體(Light Emitting Diode, LED)驅動已迅速成為功率轉換技術日益重要的應用領域。除要求更高效率、更低靜態電流之外，LED驅動還有不少更精細的要求，如LED匹配、調光、白光平衡等等。另外還有一些基本架構問題，如LED是串聯還是並聯連接、是進行高端還是低端關斷。某些特定的LED實現方案能夠獲得不同程度的效果，比如眾所周知的感應式升壓解決方案和電荷泵倍增器。而分數電荷泵、四開關降壓-升壓解決方案和多路電感解決方案則被人忽略。後者也被稱為「SIMO」，即單電感多輸出(Single Inductor Multiple Output)。隨著白光LED背光被更複雜的紅綠藍(RGB)同類產品所取代，預期這種技術將扮演越來越重要的角色。
從白光LED特性著手克服設計挑戰
可攜式產品的發展趨勢是逐漸向更多多媒體應用轉變，此一趨勢使得系統產品對螢幕顯示色彩的要求達到數百萬色水準，並且要支援更高的解析度。傳統的顯示器背光採用真空螢光燈管，因此在色彩顯示能力上受到限制，且在系統尺寸日趨輕薄短小之際，尺寸小巧的LED背光顯得非常有利。此外，LED的功耗更低，可靠度亦比真空螢光燈管高，亦是其優勢。但是，若採用LED作為螢幕的背光源，要保持恆定的光強度和顏色是此一照明技術面臨最大的挑戰。了解白光LED的工作原理有助於掌握如何確保其強度和顏色一致的訣竅。由於LED是半導體元件，因此相較於其他光源，具有許多獨特的特性，其中最顯著的是電流和亮度之間的非線性關係(圖1)。
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| 圖1 典型白光LED輸入電流與亮度關係圖 |
第二個顯著特性是有關LED的正向壓降。不同於白熾燈泡，LED並非純粹的電阻式負載，其正向壓降隨LED顏色而改變。一般而言，紅光LED的正向電壓為2.2伏特，綠光LED的正向電壓3.1伏特。白光LED和藍光LED的正向電壓相同，典型值都是3.3伏特。
為可攜式設備中的LED提供恆定電壓和電流是一大挑戰。供電電源必須能夠自我調節以適應不斷降低的電池電壓，否則亮度會隨電池電壓而變化。因此，這些設備需要非常特殊的電源。保持LED電流和電壓恆定的常用架構有三種，第一種是針對串聯LED結構的感應式升壓調節器；第二種仍是相同的感應式升壓調節器，但用於並聯LED結構；最後一種是電容式電荷泵。這些架構各有其優勢，但對於特定的應用，僅有一種能夠提供最大的優勢。
感應式升壓/電容式電荷泵架構迥異
感應式升壓架構的基本工作原理是利用電感的電流儲存能力。電感可以阻止電流變化，正負皆然。這種阻抗能力對元件壓降的影響可以下式表示：
這一簡單的公式表明了升壓轉換器的工作原理。電晶體導通，電流開始在電感中流過。然後電晶體關斷。由於電流無法瞬間降為0，它繼續流經二極體。電流逐漸減小，di/dt變為負，導致電感上的電壓為負(圖2)。
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| 圖2 升壓轉換器架構圖 |
利用克希霍夫(Kirchokff)電壓定律，可計算出輸出電壓。
上式可重新整理為
這裡D代表ON工作週期。由於D的範圍在0到1之間，故輸出電壓總是比輸入電壓高。輸出電壓與工作週期成正比，因此，若要產生更高的電壓，就必須提高工作週期。
電荷泵利用電容來儲存能量，可以把輸入電壓提升到1、1.5或2倍。通過一個開關陣列和一個時脈訊號，電容可以交替性地進行並聯充電和串聯放電，從而提高輸出電壓(圖3)。
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| 圖3 電容式電荷泵工作原理 |
視應用要求選擇驅動器架構
利用感應式升壓轉換器，LED能夠被串聯驅動或並聯驅動。串聯陣列可確保通過所有LED的電流都相同，從而保證相同的光強度。然而這種方案的缺點在於，驅動器的輸出電壓必須等於或超過所有LED的正向電壓總和。在某些需要驅動比較多顆LED的應用中，其所帶來的電壓需求就可能高達24伏特，因此元件必須採用擊穿電壓超過24伏特的矽製程來生產，並增加元件的成本。其次，升壓轉換器的效率也隨輸出電壓的增加而受到影響。表1所示為讓四個白光LED產生相同的光量，三種不同拓撲所需功率之比較。如果對效率的要求比較高，串聯拓撲並不是好的選擇。
表1 三種不同拓撲所需功率之比較表 |
| 輸入電壓(伏特) \ 拓撲架構/輸入功率(mW) |
電荷泵 |
並聯式 |
串聯式 |
| 4.2 |
140.7 |
105 |
107.1 |
| 4.1 |
114.8 |
105.78 |
106.6 |
| 4.0 |
107.2 |
103.2 |
105.4 |
| 3.9 |
70.98 |
103.35 |
104.715 |
| 3.6 |
102.96 |
102.96 |
104.04 |
| 3.5 |
98.7 |
103.6 |
104.3 |
| 3.4 |
97.58 |
105.06 |
105.4 |
| 3.2 |
460.8 |
104.96 |
106.88 |
| 3.1 |
36.2 |
104.78 |
108.81 |
| 3.0 |
294 |
107.1 |
107.7 |
| 平均 |
180 |
105 |
106 |
儘管轉換器不需要把電壓提升到太高(如3.3伏特) 就可驅動並聯陣列，但並聯拓撲必須對每一個LED進行電流調節。由於LED的光強度隨電流而變化，所有LED中的電流要進行匹配，以保持每一個LED的亮度穩定。這增加了系統的複雜性和成本。並聯拓撲的優勢在於效率高。
電荷泵則主要用於驅動並聯陣列，因為輸出電壓與充電電容的數量有關。電荷泵有一些優點，例如其所需要的印刷電路板面積通常較小，因為其外部電容可以小至0402封裝大小。這是一個很顯著的優勢，尤其是在終端產品為可攜式設備時。對可攜式無線電產品而言，還有一個好處是產生的電磁干擾(EMI)更少。即便使用遮罩電感，感應式升壓調節器產生的EMI雜訊也超過了普通電荷泵。
這對手機等內建無線通訊接收器的可攜式裝置而言，是一個很重要的特點。不過，若對印刷電路板空間和EMI的要求都不太嚴苛的話，電荷泵可能就不是適當的解決方案，因為若採用這類方案，要減小系統尺寸，就會犧牲效率。電荷泵不是最高效的升壓調節器，故在計算電池功耗時，必須考慮到這種影響。
結合線性/PWM調光法降低LED晶粒色差
調光有利於改變照明光強度以實現功耗目標或美學價值。LED調光有兩種常用方法。第一種是直接調節電流。電流的微小變化引起LED強度的微小變化。這個過程非常易於控制。第二種方法是利用脈衝寬度調變(PWM)時脈來改變LED的ON工作週期。通過LED的平均電流隨工作週期的減小而降低。這種方法的主要考慮事項是時脈頻率。一般說來，採用此種調光法必須將時脈頻率提高1kHz或更高，才能使人眼感覺不到閃爍。
線性調節和脈衝寬度調變都對白光LED的顏色有影響，但作用相反。絕大多數白光LED都只是帶磷光質塗層的藍光LED而已。磷光質中的電子被短波長光激發，發出白光。白光LED的顏色或色度將隨光振幅、峰值波長或頻譜形狀的變化而變化，而上述因素又將隨接點溫度變化而變化。
採用線性電流調節的調光方法，會讓白光LED的色光偏向黃色，因為磷光質在電流減小時更有效。採用脈衝寬度調變的調光方法則會使LED偏藍色，因為磷光質作用變小。這種影響緣於峰值波長向更短的波長移動。若要追求最理想的光線輸出結果，最理想的作法應結合上述兩種調光方法，如此才能把不同LED晶粒的色差減至最小。
LED系統設計必須面面俱到
LED是高效的可攜式設備顯示幕照明方法。由於採用半導體技術，故需要獨特的調節手段。電荷泵和感應式升壓調節器可提供最好的電源解決方案，不過兩者各有優勢，應該針對特定應用具體考慮。效率、最小EMI輻射、更小尺寸的重要性都表明必須選用適當的驅動器。
另一個重要因素是調光方法。脈衝寬度調變和線性調節的結合可提供穩定的調光方法，同時盡可能地減少色差。確保LED提供恆定光不是很困難的挑戰，但解決方案應該針對相關應用量身定做，從而發揮其最大優勢。
(本文作者任職於快捷半導體)