面向小型LCD背光的LED驅動(dòng)電路設計技巧

引言
過(guò)去幾年來(lái)，小型彩色LCD顯示屏已經(jīng)被集成到范圍越來(lái)越寬廣的產(chǎn)品之中。彩色顯示屏曾被視為手機的豪華配置，但如今，即便在入門(mén)級手機中，彩屏已成為一項標配。幸好，手機產(chǎn)業(yè)的經(jīng)濟規模性(全球手機年出貨量接近10億部)降低了LCD彩色顯示屏的成本，并使它們集成在無(wú)論是便攜醫療設備、通用娛樂(lè )遙控器、數字相框/圖像查看器、教育玩具，或是最新具有WiFi功能的VoIP無(wú)繩電話(huà)等其他產(chǎn)品中都具有吸引力。

正文
彩色LCD顯示屏需要白色背光，以便用戶(hù)在任何光照環(huán)境下都能正常地觀(guān)看。這個(gè)背光子系統包括1個(gè)高亮度白光發(fā)光二極管(LED)陣列、1個(gè)擴散器(diffuser)以擴散光線(xiàn)和1個(gè)背光驅動(dòng)器將可用電能穩壓為恒定電流以驅動(dòng)LED。一塊1到1.5英寸的顯示屏可能包含2到4個(gè)LED，而一塊3.5英寸顯示屏則可能輕易地就包含6到10個(gè)LED。對于LED而言，其光輸出與電流成正比，而且由于LED具有非常陡峭的電流-電壓(I-V)曲線(xiàn)，流過(guò)LED的電流緊密匹配是非常重要，這樣才能確保均衡背光，因為L(cháng)ED通常分布在LCD顯示屏的一邊。此外,也需要軟件控制讓用戶(hù)調節亮度，以及針對周?chē)庹窄h(huán)境作出補償。根據流經(jīng)LED電流的不同，LED的色點(diǎn)(color point)可能會(huì )漂移。因此，將LED電流設定為固定值并對LED進(jìn)行脈寬調制以降低平均光輸出就很普遍。要在手持產(chǎn)品設計中集成小型彩色LCD顯示屏并進(jìn)而實(shí)現成本、性能和電池壽命的恰當平衡，存在著(zhù)一系列需要考慮的因素。

電池供電產(chǎn)品需要優(yōu)化的LED驅動(dòng)電路架構，這些架構要處理并存的多項挑戰，如空間受限、需要高能效，以及電池電壓變化—既可能比LED的正向電壓高，也可能低。常用的拓撲結構有兩種，分別是LED采用并聯(lián)配置的電荷泵架構/恒流源架構和LED采用串聯(lián)配置的電感升壓型架構。這兩種方案都有需要考慮的折衷因素，如升壓架構能夠確保所有LED所流經(jīng)的電流大小相同但需要采用電感進(jìn)行能量轉換，而電荷泵架構使用小型電容進(jìn)行能量轉換，但所有LED并聯(lián)排列得太過(guò)緊密以致電流匹配成為均衡背光所面對的一項棘手問(wèn)題。圖1展示了這兩種架構的示例。

LED驅動(dòng)器電路圖。 src="/oledit/UploadFile/20083/200834102548113.jpg" border=0>
LED驅動(dòng)器電路圖。 src="/oledit/UploadFile/20083/200834102549830.jpg" border=0>
圖1：電荷泵和電感LED驅動(dòng)器電路圖。

設計時(shí)應做好以下幾點(diǎn)

1． 評估顯示屏的大概使用時(shí)間

選擇白光LED驅動(dòng)器時(shí)，需要考慮到顯示屏的使用頻率。如果顯示屏會(huì )被長(cháng)時(shí)間背光觀(guān)看，擁有高效率的轉換器對電池使用時(shí)間就顯得至關(guān)重要。較大的顯示屏需要較多的LED，而顯示屏使用時(shí)間較長(cháng)的應用則會(huì )從能效更高的升壓型拓撲中受益。相反地，如果顯示屏僅用于短時(shí)間背光，那么效率就可能不是一項關(guān)鍵的設計參數。

2． 仔細考慮LED選擇

LED技術(shù)持續快速改進(jìn)，制造商在使用新的材料、制造技術(shù)和LED設計來(lái)為同等大小的電流釋出更大的光輸出，這樣一來(lái)，幾年前需要4個(gè)LED進(jìn)行背光的顯示屏如今可能采用2個(gè)LED就能實(shí)現同樣的背光亮度。不僅如此，過(guò)去通常使用冷陰極熒光燈(CCFL)進(jìn)行背光的4到7英寸較大顯示屏，如今正在轉向使用LED進(jìn)行背光。此外，LED的正向電壓正趨向更低。因此，不僅需要考慮驅動(dòng)器制造商的數據表曲線(xiàn)上的驅動(dòng)器效率，還需要基于采用所選LED對驅動(dòng)器進(jìn)行的評估來(lái)予以考慮。表1列舉了幾款LED的一些重要規范，顯示了這些LED在正向電壓和發(fā)光亮度等方面的差別。需要說(shuō)明的是，正向電壓范圍的變化較大，這意味著(zhù)驅動(dòng)器的效率應該采用LED規范的極限值來(lái)進(jìn)行評估。

LED的特性參數。 src="/oledit/UploadFile/20083/200834102549573.jpg" border=0>
表：幾種不同的LED的特性參數。

3. 注意布線(xiàn)

即使各個(gè)LED采用10到20mA的極低電流來(lái)驅動(dòng)，流經(jīng)轉換器的峰值電流也明顯高得多。這對于電感拓撲結構而言猶為如此，因為峰值開(kāi)關(guān)電流可能是LED平均電流的10到20倍。因此，需要使用適當的低損耗布線(xiàn)技術(shù)。對電荷泵型拓撲結構而言，電容應該布置在鄰近驅動(dòng)器的位置，使回路面積減至最小以避免輻射開(kāi)關(guān)噪聲。對于電感升壓型轉換器而言，輸入和輸出電容以及電感應設在鄰近驅動(dòng)器的位置。此外，電流設定電阻(Rfb)應該直接連接至芯片的接地，因為內部參考和檢測電壓之間的錯誤會(huì )直接影響LED電流精確度。

4. 在真實(shí)環(huán)境下測您的試產(chǎn)品

考慮顯示屏在外界高亮度光照條件下的表現，并確保軟件調光控制擁有足夠的動(dòng)態(tài)范圍，從而在預期的光照環(huán)境下能夠充分地對顯示屏進(jìn)行調光。

應該注意避免以下問(wèn)題

1． 忘記考慮邊界和故障模式

錯誤總會(huì )發(fā)生，如果LED對地開(kāi)路或短路，驅動(dòng)器應該如何處理這個(gè)問(wèn)題？對于電感升壓驅動(dòng)器而言，如果LED串開(kāi)路，輸出就會(huì )激增，因為恒定電流會(huì )對輸出電容進(jìn)行充電，從而需要過(guò)壓保護，但這種功能可能會(huì )、也可能不會(huì )集成在驅動(dòng)器中。這在工廠(chǎng)測試中可能會(huì )成為一個(gè)問(wèn)題，因為顯示屏在某些測試步驟中可能還未被安裝。此外，評估產(chǎn)品開(kāi)啟時(shí)的浪涌條件也很重要，因為此間大量的電流消耗可能將電池電壓降低到最低工作閾值之下。采用軟啟動(dòng)和/或對不同電路模塊進(jìn)行軟件排序就能夠將這個(gè)問(wèn)題最小化。

2． 只盯著(zhù)峰值效率

由于用戶(hù)可調節背光亮度，因此需要考慮顯示屏背光預計會(huì )在大多數工作時(shí)間內的驅動(dòng)器效率。評估驅動(dòng)器的效率時(shí)，需要考慮LED預計的工作條件、電池電壓范圍和正向電壓變化。電感型驅動(dòng)器擁有更佳的峰值效率，對輸入和輸出電壓變化也有更大的容限。

3． 忽視外部元件選擇

在所有設計案例中，都應該考慮采用低的等效串聯(lián)電阻(ESR)X5R或X7R陶瓷電容使損耗降到最低。同樣在電感型案例中，(若有外部的)肖特基整流器的正向電壓降和電感的ESR會(huì )影響效率。舉例來(lái)說(shuō)，使用帶有0.3Ω ESR的電感來(lái)以20mA電流驅動(dòng)5個(gè)串聯(lián)的LED時(shí)，效率會(huì )比帶1.3Ω ESR的電感高5%。當然，這并不是沒(méi)有代價(jià)的，因為電感的ESR越低，提供相同電感值所對應的尺寸越大。所幸的是，如今也有許多新型的小尺寸電感器，它們容許LED驅動(dòng)器置于顯示器的下面。