一種手機與PDA應用LED照明驅動(dòng)電路的設計和實(shí)現

由于具備高照明效率、長(cháng)效性與小體積，LED已成為便攜式設備，如移動(dòng)電話(huà)與PDA等的必然選擇，約0.1W的低功耗白光LED目前正廣泛應用在LCD顯示面板的背光與鍵盤(pán)照明上，當然也可通過(guò)連接多顆LED帶來(lái)較高的亮度作為臨時(shí)照明或閃光燈等應用，而可達1W的高功率LED則應用在配備兩百萬(wàn)像素，甚至更高分辨率的拍照手機中來(lái)支持黑暗環(huán)境中的拍照功能。除白光LED外，RGB（紅、綠、藍）光LED也經(jīng)常被用來(lái)強化移動(dòng)電話(huà)的質(zhì)感，通過(guò)三種色彩精確適當地混和，RGB LED可創(chuàng )造出豐富多樣的色彩。

　　在指示應用上，當有來(lái)電或信息時(shí)可以讓彩色LED閃爍，或利用色彩來(lái)顯示發(fā)話(huà)者的身份，例如自行定義的群組，如朋友、家人或業(yè)務(wù)往來(lái)的來(lái)電，這項功能不僅為移動(dòng)電話(huà)帶來(lái)個(gè)性化，同時(shí)在非常吵雜的環(huán)境中也相當有用。為進(jìn)一步強化使用者的影音感受，RGB LED也同時(shí)用來(lái)產(chǎn)生許多吸引人的發(fā)光效果，其中一個(gè)例子是將RGB的發(fā)光動(dòng)作與響鈴的旋律或MP3音樂(lè )加以同步，另外一個(gè)RGB發(fā)光的有趣應用則是日本松下公司的Feel Talk功能，由于RGB LED被安排在移動(dòng)電話(huà)的機殼下方，因此可以依使用者的心情顯示不同的色彩

　　主要白光LED供應商

　　目前廣泛應用在可攜式設備LCD與鍵盤(pán)背光的白光LED,是由日商日亞（Nichia）化學(xué)公司于1996年推出，透過(guò)以淡黃色螢光物質(zhì)涂布在氮化鎵（GaN）與銦氮化鎵（InGaN）材質(zhì)的藍光LED上來(lái)達成白光的效果。另外，藍光與綠光LED的發(fā)展則擴展了LED色彩輸出的豐富度。

　　然而，在上世紀90年代末期，日本、美國與歐洲等地主要LED制造商間的多重專(zhuān)利侵權問(wèn)題阻礙了新制造商進(jìn)入這個(gè)市場(chǎng)的可能性。但幸運地是，這些法律訴訟逐漸透過(guò)相互授權協(xié)商獲得解決，部分制造商如Nichia、ToyodaGosei、Cree、PhilipsLumileds與OSRAM等更在當時(shí)確立了其領(lǐng)先地位。除此之外，數年前臺灣與南韓兩地的新進(jìn)廠(chǎng)商開(kāi)始崛起，并在過(guò)去2年逐漸嘗到了營(yíng)業(yè)額高度增長(cháng)的成果。

　　LED效能大幅提升

　　在大量資金投注LED開(kāi)發(fā)后，白光LED的照明效率比起剛發(fā)明時(shí)有了大幅度的改善，目前市場(chǎng)上最佳的白光LED照明效率可以達到100lm/W,相當接近日光燈管，而一些領(lǐng)先公司也嘗試在藍光LED上使用不同的涂敷物質(zhì)，并推出更佳發(fā)光效率的設計方案，因此提供面板背光所需的LED數目將持續下滑，目前移動(dòng)電話(huà)上標準LCD面板所需的背光LED大約為2~4顆，而PDA或智能型手機上LCD面板的背光則需要6~10顆。在進(jìn)一步討論LED背光與閃光燈的驅動(dòng)電路結構與新功能前，先回顧一下移動(dòng)電話(huà)與PDA中廣泛使用的LED以及電池的電氣特性。

　　依不同制造商所采用技術(shù)的差異，LED的正向電壓（Vf）大約在2.7~4V之間，通常高功率LED擁有高達4.9V的較高正向電壓，因此LED驅動(dòng)電路就必須提供足夠的正電壓以便讓LED以正向偏壓的方式發(fā)光。當采用多顆LED來(lái)提供背光時(shí)，在驅動(dòng)電路設計上應考慮正向電壓間的差距，為了得到相同的照明強度，也就是讓不同的LED發(fā)出相同的色彩，設計工程師必須確保流經(jīng)每顆LED的正向電流能夠相同，低功率LED通常采用20mA的正向電流，最大約為25mA,目前市場(chǎng)上的高功率LED則能以高達1.5A的脈沖電流來(lái)驅動(dòng)。

　　目前手機與PDA中最常見(jiàn)的電池型式為鋰離子或鋰高分子可充電電池，采用鋰材料的可充電電池標準電壓在3.6V到3.7V,工作電壓則為4.2V到3.2V,為了確保能夠安全運作，這類(lèi)型的鋰材料電池只能夠在1C的范圍內充電或放電，其中C為電池的規格容量，例如1,000安培小時(shí)（mAh）的電池最高放電電流為1A,手機通常使用的電池容量大約在650mAh到1000mAh之間。采用不同陰極材料的新型態(tài)鋰離子電池已經(jīng)進(jìn)行開(kāi)發(fā)以便改善電池的效能，在使用這類(lèi)電池組時(shí)，設計工程師應該要遵守電氣規格上的限制并隨之調整驅動(dòng)電路。

　　現在就讓我們進(jìn)一步研究LED在LCD背光、裝飾光源與相機閃光燈中的應用。

　　LCD背光

　　在使用最高前向電壓為3.4V到4V的LED時(shí)，由電池提供的輸入電壓必須相等或高于所需的驅動(dòng)電壓，因此需要一個(gè)具有穩定電流功能的升壓式轉換器來(lái)推動(dòng)以串聯(lián)或并聯(lián)方式連接的LED.

　　充電泵/切換式電容轉換器充電泵轉換器目前廣泛使用在LCD的背光驅動(dòng)上，與采用電感式的升壓式轉換解決方案比較，充電泵驅動(dòng)電路由于具備較低的成本、較薄的厚度以及較低的雜訊特性而成為較佳的選擇，新推出的積體電路設計已經(jīng)逐漸改善充電泵驅動(dòng)電路的效率，目前最高效率可超過(guò)93%,平均則大約在80%.

　　漸進(jìn)式亮度變化與情境式照明漸進(jìn)式亮度變化主要應用在可攜式設備啟動(dòng)或關(guān)機時(shí)以創(chuàng )造劇場(chǎng)式的照明效果，在啟動(dòng)時(shí)，背光電流會(huì )依照預先設定的時(shí)間間隔以步階方式逐步放大到20mA,同樣地，在關(guān)機時(shí)則采用相反的動(dòng)作逐步降低，透過(guò)微處理器的幫助，可利用將具備不同頻率的PWM訊號送到LED驅動(dòng)電路的啟動(dòng)接腳來(lái)實(shí)現這種效果，以特定時(shí)間間隔將LED電流用多重步階的方式加大或降低，不過(guò)這個(gè)方法卻有耗費即時(shí)處理器資源的缺點(diǎn)，因此在如NCP5602與NCP5612等LED驅動(dòng)晶片產(chǎn)品上就將這個(gè)功能內建在晶片中（圖1）。

圖1：典型的2顆LED式充電泵驅動(dòng)器應用