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如何改善白光LED？线性稳压器_LDO可以吗？

自从前些年白光LED诞生以来，白光 LED 的应用得到了稳步发展 。与荧光灯相比具有使用简单、成本低的优势，与白炽灯相比可以提供更接近于白色的光，因此，其用量在最近几年呈现出稳步上升的趋势，在手持式产品中被广泛用作闪光灯、显示器背光等 。当然，在实际应用中针对白光 LED 也存在一些有待解决的技术问题 。
光发光二极管(LED)在各种照明设备中的应用正在稳步增长，如手持产品中的闪光灯、显示器背光等 。与白炽灯相比，它们提供真正的白光、消耗更低的功耗 。与荧光灯相比，它们更易于使用 。批量使用时，白光 LED 的一致性较差，利用低成本的线性稳压器(LDO)可以改善其匹配度，即使在采用不同 LED 的情况下 。
选用白光 LED 最明显的问题是产品的匹配性差，按照白光 LED 的典型规格，电流为 20mA 时正向电压的最小值为 3.0V、典型值为 3.5V、最大值为 4.0V 。显然，稳压源不是合理的解决方案 。利用相同的电流驱动每只 LED 可以获得均匀亮度，但成本很高 。在许多应用中只是简单地用一个固定偏置电压和镇流电阻驱动 LED，如图 1 。
图 1. 大多数应用只是简单地利用固定偏置电压(本范例中采用 5V)和镇流电阻(本范例中采用 75Ω)，获得近似匹配的白光 LED 亮度 。
按照图 1 设计电路通常可以得到相当好的亮度匹配 。但对于大批量生产的用户，同一批次的产品具有相当一致的特征指标，但批次之间一致性较差 。这就需要对每一批新的 LED 进行测试、为其配置镇流电阻 。如果存在多个 LED 供货商问题将更加严重 。为详细描述上述问题，我们选用了三个厂商的 LED (分别用 A、B、C 表示)按照图 1 所示电路作了以下测试：标号为 A 的 LED 选自一级白光 LED 供货商，标号为 B 的 LED 选自二级白光 LED 供货商，标号为 C 的 LED 是从电子配套市场购买的廉价 LED 。测试结果如表 1 。
【如何改善白光LED？线性稳压器_LDO可以吗？】
表 1. 为了评估图 1 电路的生产能力，我们对三种不同厂商提供的白光 LED 进行了测试 。从测试结果看，不同商标的 LED 一致性较差，比标准平均电流偏差 3.27mA 。
从表 1 可以看出，同一厂商的 LED 匹配性较好，特别是来自规模较大的供货厂家的产品(A、B 两种 LED) 。正如所预期的那样，来自供应商 C 的不同包装的 LED 一致性较差 。三家厂商 LED 电流的平均均方误差为 0.54mA 。
从表 1 的“平均值”列可以看出，不同厂商提供的 LED 一致性较差，A 厂商提供的 LED 吸取电流最大(平均 24.6mA)，B 厂商提供的 LED 吸取电流最小(平均 18.3mA) 。不同厂商的白光 LED 在采用相同偏置电压、相同的镇流电阻时电流差别较大，均方误差为 3.27mA 。
单独调节每只 LED 的电流或至少对其中一只 LED 的电流进行调节可以提高不同厂商或同一厂商不同批次 LED 的一致性，但这需要相当昂贵的芯片 。在对成本要求苛刻的产品中，可以利用低压差线性稳压器(LDO)改善 LED 的一致性，无需选择阻值不同的镇流电阻，具体电路如图 2 所示 。图中 LDO 工作在稳压 - 稳流模式下，根据一只 LED 的正向电压的变化自动调节偏置电压 。
图 2. 添加一片低成本的 LDO，得到可自动调节的偏置电压，有效改善不同批次、不同厂商白光 LED 的匹配度 。
为考核图 2 电路性能，我们将上述 A、B、C 三种 LED 按照图 2 电路连接进行了测试，测试结果如表 2 。从表 2 可以计算出：相同厂商 LED 电流的一致性略有下降(图 2 所得结果为 0.77mA，图 1 所得结果为 0.54mA)，但不同厂商的 LED 电流的一致性得到了较大改善，均方误差由 3.27mA 降低至 0.96mA 。
表 2. 为了评估图 2 电路的性能，我们对相同的三组白光 LED 进行了测试，从表 2 可以看出，不同厂商提供 LED 一致性得到了改善，由表 1 所示偏离标准值 3.27mA 降至 0.96mA 。
图 2 电路需选择带有外部电压调节引脚的 LDO，如 MAX8863，其反馈门限为 1.25V (VSET) 。选用 SOT23 封装的 LDO 可提高系统的性价比，因为多数 SOT23 封装的 LDO 带有关断控制，从而省去了图 1 电路中控制 LED 通 / 断或 PWM 亮度调节的 N 沟道 MOSFET 。另外，LDO 还具有较宽的输入电压范围，当与其它电路共用同一 5V 电源时可以提供较高的电源抑制比(PSRR)此外，由厂商 A 提供的 LED 不会运行在“热”状态下，无需过多考虑散热问题 。
图 3 电路是对图 2 电路的修正，每只 LED 的电流为 15mA，适合便携产品的背光源要求 。MAX8863 可以驱动 8 只 LED，每只 LED 电流为 15mA 。当 LED 正向电压较低、或镇流电阻的电流低于 15mA 时，所允许的输入电压更低 。
图 3. MAX8863 LDO 可驱动 8 只 LED，每只 LED 电流为 15mA 。对不同厂商、不同批次的 LED 可提供较好的亮度匹配 。

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