白光發光二極管 (WLED) 應用相當普遍，主要原因在于白光發光二極管可用于提供便攜式電子產品顯示器的背光。一般認為單一 WLED 需要 4 V 的驅動電壓。由于鋰電池提供 3.6 V 的電壓，因此一般業界認定需要升壓轉換器 (step-up converter) ，才能以單節鋰電池為 WLED供電。因此，許多 IC 都可用于驅動 WLED，其中大部分需要外部電感或飛馳電容器 (flying capacitor) ，才能將電池電力提升到足夠的電壓。由于 WLED 技術日漸成熟，因此需要正向電壓的需求逐漸減少。目前有許多 LED 的一般正向電壓 (VF) 范圍介于 3.2 至 3.5 V 之間，最大范圍則介于 3.7 至 4 V 之間。資料表通常針對大約 15 至 25 mA 的 LED 電流指明這類電壓。本文探討較低電流的應用，以及這些應用如何影響 WLED 的正向電壓。文中也以德州儀器 TPS75105 這款全新的 LED 驅動器為例，說明如何以較小體積與較低成本有效驅動這些較低電壓 LED。
LED 正向電壓
WLED 與其它標準 p-n 接面二極管類似，必須有足夠的正向電壓才能導電。當電壓超過臨界值時，會以 WLED 的正向電壓提升正向電流。圖 1 顯示兩個 WLED 的一般 I-V 曲線。
圖 1. 一般 WLED I-V 曲線
判讀此圖相當容易。在一般二極管 I-V 曲線上，當電壓超過臨界值時，電流便會隨著電壓急遽提升。圖 1a 顯示裝置的一般正向電壓經指定為 3.2 V，正向電流為 20 mA，處理過程及溫度變化中最高出現 3.7 V。從其中可看出應用需要升壓 DC/DC 轉換器，才能以單節鋰電池的 3 至 4.2 V 輸出驅動 WLED。然而，實際狀況并非如此。以 5 mA WLED 電流應用為例，圖 1a 的曲線顯示驅動 5 mA 所需的正向電壓大約是 2.9 V，這遠低于數據表顯示的驅動 20 mA 所需一般電壓，因此，只需使用 3.6 V 鋰電池即可驅動 2.9 V 輸出電壓，完全不需要升壓轉換器。
WLED 的規格涵蓋了批次間程序及制作變化的一般值及最大值。數據表提供的 I-V 曲線通常是零件符合一般規格的情況。雖然曲線形狀對于制作的各零件都有效，然而視個別裝置的不同測試條件，曲線會偏右或偏左。如果使用前例中相同零件編號的其它 LED，在一般測試條件 (20 mA 正向電流) 下測出的正向電壓為 3.7 V (額定上限)。這個電壓比一般裝置高出 0.5 V，這表示需要 3.4 V (2.9 V 加上 0.5 V) 的最大正向電壓，才能以 5 mA 驅動這個 WLED。根據應用的截止電壓，不需要使用升壓轉換器，便能夠以 5 mA 驅動這個特殊 WLED。借由這項技巧可判斷任何應用的最大正向電壓。
溫度變化有何影響？
某些應用要求 WLED 在極端溫度的嚴峻環境下運作。溫度變化會影響 LED 特性，但是對于低電流與高電流的影響并不十分強烈。圖 2 中來自一般 WLED 數據表的圖形顯示正向電壓與溫度兩者之間的關系。
圖 2. 正向電壓與溫度之間的關系 (Nichia NSSW100CT)
此圖顯示溫度的關聯性隨著電流與正向電壓的增加而更為顯著。此外，一旦溫度升高，正向電壓便會降低。5 mA 曲線顯示，從室溫 (25°C) 變化至額定上限溫度 (85°C) 時，正向電壓大約降低 0.1 V。判斷所需的正向電壓時，應將此納入考慮，不過其中的影響不甚明顯。如果特定應用要求在極寒冷的環境下驅動 LED，則正向電壓增加時，會使得低輸入電壓的亮度降低。
極小型 LED 驅動器解決方案
一般驅動多重 WLED 的方法是將這些 WLED 串聯，然后以電感升壓轉換器或電荷泵驅動串聯串行。對于需要較高正向電壓的較高 WLED 電流而言，這是絕佳的方法。然而，如前所述，并不是所有的 WLED 驅動器應用都需要升壓轉換器。用于低電流 WLED 應用的簡易、低成本驅動器為極小型 TPS75105 LED 驅動器 IC。TPS75105 屬于線性電源，包含極低的 28 mV 漏失電壓，適用于驅動分為單獨兩組的四個平行 WLED。此裝置在單獨啟動的兩組中提供四個 2% 相符電流路徑。此裝置采用極小型 9 球 1.5 平方毫米芯片級封裝 (WCSP)，不需要任何外部組件，即可使用預設電流輸出，因此體積縮小為 1.5 平方毫米。值得一提的是，TPS75105 是德州儀器所提供其中一種成本最低廉的 WLED 照明解決方案，圖 3 顯示 TPS75105 的應用電路。
圖 3. TPS75105 應用電路
乍看之下，使用低漏失線性電路似乎不切合實際，因為線性調節器一直存在效率較低的問題。事實上，一般都對于 LDO 存在誤解。LDO 效率完全根據輸入/輸出電壓比而定，因此，驅動 WLED 的效率相當高。例如，以 3.6 V 鋰電池的輸入電力驅動 3 V WLED，能夠達到 83% 的 LED 效率。圖 4 顯示鋰電池范圍內多種不同 WLED 正向電壓的 TPS75105 效率。TPS75105 的 LED 效率不亞于甚至優于其它 WLED 驅動器解決方案。
圖 4. TPS75105 LED 效率
圖 5 顯示鋰電池放電曲線上 TPS7510x LED 效率。在所有三條曲線中，整個放電范圍的平均效率都超過 80%，并且在 VLED 為 3.3 V 時達到 90%。由于本文著重于低電流應用，因此，只要輸入電壓足夠，TPS7510x 便能夠使各個 LED 達到 25 mA。這些應用都具有體積尺寸極小的優點。
圖 5. 鋰電池放電曲線上的 TPS7510x LED 效率
結論
評估 LED 驅動器應用時，必須特別考慮應用需要多少電流。如果需要的電流遠低于應用 WLED VF 規格的電流，則必須檢查 WLED 數據表 I-V 曲線，決定應用的實際 VF。該應用可使用 TPS75105 之類的低漏失線性電源以縮小體積并降低成本，同時不降低切換升壓轉換器的效率。