背光驅動(dòng)電路的選擇策略和應用介紹

越來(lái)越多的便攜式消費電子產(chǎn)品配備了彩色顯示屏，例如手機、數碼相機、PDA、MP3、PMP播放器等，其中手機又占據了這個(gè)市場(chǎng)的絕大部分份額，從而導致了這兩年來(lái)中小尺寸顯示屏產(chǎn)業(yè)鏈的飛速發(fā)展。根據應用的不同，顯示屏會(huì )有不同的種類(lèi)，例如TFT-LCD、CSTN-LCD以及OLED顯示屏，從市場(chǎng)的應用看，OLED顯示屏只是在折疊式手機的副屏以及MP3的市場(chǎng)上占有一定的份額，而市場(chǎng)的主流依然是TFT和CSTN，這兩種類(lèi)型的LCD屏占據了現有的中小尺寸顯示屏出貨量的絕大部分。本文重點(diǎn)就中小尺寸的LCD顯示屏的背光驅動(dòng)解決方案作一個(gè)分析介紹。

圖1：一種典型的串聯(lián)驅動(dòng)電路。

背光驅動(dòng)的技術(shù)分析

LCD顯示屏自身并不發(fā)光，為了可以清楚地看到LCD顯示屏的內容，需要一定的白光背光源。在中小尺寸LCD顯示屏中，一般采用白光LED作為顯示屏的背光源。白色LED背光電源由數個(gè)白光LED組成，如手機、數碼相機一般僅需要2到3個(gè)白光LED，而PDA和PMP則根據其顯示屏的面積，可能需要3到6個(gè)LED。對背光驅動(dòng)電路的要求是：

1. 滿(mǎn)足背光的亮度要求；

2. 整個(gè)顯示屏亮度均勻(不允許有某一部分較亮、另一部分較暗的情況)；

3. 亮度可以方便地調節；

4. 驅動(dòng)電路占PCB空間要??；

5. 工作效率高；

6. 綜合成本低；

7. 對系統其它模塊干擾小。

根據應用場(chǎng)合不同，系統設計者關(guān)注的重點(diǎn)可能會(huì )有所差別,例如對于低成本的產(chǎn)品方案，可能會(huì )把整個(gè)驅動(dòng)電路的成本放在第一位；對于手機應用，白光驅動(dòng)電路對其他模塊是否會(huì )產(chǎn)生EMI干擾則是要重點(diǎn)考慮的因素；而在MP3應用中，又有可能對EMI干擾不太關(guān)心。

圖2：一種LED開(kāi)路保護電路。

白光LED驅動(dòng)器基本上有兩種驅動(dòng)方式：1. 采用電感升壓式DC/DC升壓變換的原理來(lái)驅動(dòng)，所有的LED串聯(lián)接在一起，一般也叫做串聯(lián)型驅動(dòng)方式；2. 采用升壓式電荷泵驅動(dòng)電路，所產(chǎn)生的電壓一般在5V/4.5V或者是根據LED的正向導通電壓而自適應確定的一個(gè)電壓，所有的LED并聯(lián)在一起，一般也叫做并聯(lián)型驅動(dòng)方式。

串聯(lián)驅動(dòng)電路

從技術(shù)發(fā)展的角度看，串聯(lián)型驅動(dòng)出現的比較早，技術(shù)上也比較成熟。以啟攀微電子的CP2126為例，典型的串聯(lián)型驅動(dòng)電路如圖1所示。

以CP2126為例，一般而言，采用串聯(lián)方式使流過(guò)每一個(gè)LED的電流都一樣，則發(fā)光的均勻性好；同時(shí)由于其升壓原理，所產(chǎn)生的電壓依賴(lài)于LED導通指定電流時(shí)所需要的電壓，反饋電壓CS內部設定為95mV，可以計算出當需要15mA的LED電流時(shí)，R1的值應該為：

無(wú)論是驅動(dòng)2個(gè)LED還是多達5個(gè)LED，都可以通過(guò)改變R1的電阻值靈活地設定LED的亮度，在SHDN引腳施加一定占空比的PWM控制信號，可以使LED的亮度從不亮到滿(mǎn)亮度之間無(wú)級變化。

圖3：兩倍電荷泵驅動(dòng)電路。

在CP2126的設計中注意了兩個(gè)問(wèn)題：

1. 避免了EMI的干擾問(wèn)題

CP2126避免了一般的串聯(lián)型LED驅動(dòng)電路中電感和大電流開(kāi)關(guān)所產(chǎn)生的EMI干擾問(wèn)題，對于諸如MP3、PMP之類(lèi)的應用場(chǎng)合，這個(gè)問(wèn)題可能影響不大，但是在手機應用中，EMI干擾會(huì )造成手機的接收靈敏度變差。CP2126通過(guò)優(yōu)化內部電路的設計，避免了這個(gè)問(wèn)題。表1對比了兩款串聯(lián)驅動(dòng)芯片在相同的應用情況下，對手機接收靈敏度的影響。

可以看到，CP2126的工作與否對手機接收靈敏度的指標幾乎沒(méi)有影響，而芯片X在工作時(shí)，由于EMI的干擾造成了手機接收靈敏度的下降。同時(shí)，CP2126在輸入3.6V驅動(dòng)3個(gè)白光LED的典型應用情況下，可以達到83%的轉換效率。

PCB設計也會(huì )對電路性能有比較大的影響。一般而言高頻部分的走線(xiàn)應該盡可能的短而粗，對地的過(guò)孔盡可能的大而多，在CP2126的相關(guān)資料中對此都有比較詳細的說(shuō)明。

2. 內置輸出開(kāi)路保護電路

在應用中，有可能出現LED的開(kāi)路故障情況，在這種情況下，由于CS引腳的反饋電壓始終為0，如果沒(méi)有保護電路，這種升壓型的電路就會(huì )一直升壓直到內部的開(kāi)關(guān)管被擊穿而損壞。所以，沒(méi)有內置開(kāi)路保護電路的芯片會(huì )要求外部增加一個(gè)齊納二極管，利用它的擊穿來(lái)保護內部的開(kāi)關(guān)管。保護電路如圖2所示。

圖4：混合模式控制原理圖。

顯而易見(jiàn)，這樣的保護電路又增加了系統的成本和PCB的面積，另一種保護方式是增加一個(gè)引腳，采用如SOT23－6L的封裝，對VOUT的電壓采樣并進(jìn)行檢測。CP2126的設計可以保證外圍應用電路無(wú)須做任何改動(dòng)，在LED開(kāi)路的情況下芯片依然不被損壞，當故障狀態(tài)解除后，芯片又可以正常工作。

并聯(lián)驅動(dòng)電路

雖然串聯(lián)驅動(dòng)電路具備了效率高的優(yōu)點(diǎn)，但是整體的解決方案需要一個(gè)電感和一個(gè)肖特基二極管，這又額外增加了系統成本，使得最終的綜合成本和并聯(lián)相比，并不一定有優(yōu)勢。同時(shí)，貼片電感的體積較大，一般有5.2×5.2mm2大小，同時(shí)還有可能產(chǎn)生EMI干擾。

固定模式并聯(lián)驅動(dòng)電路

早期的并聯(lián)驅動(dòng)電路只是解決了LED所需要的電壓?jiǎn)?wèn)題，它把電池電壓統一通過(guò)電荷泵的方式升壓到5V或者4.5V的這樣一個(gè)固定的電壓，然后每一個(gè)LED通過(guò)串聯(lián)一定的電阻阻值來(lái)控制LED的電流。

電荷泵電路的一個(gè)基本缺點(diǎn)在于，在給定的輸出電壓要求情況下，隨著(zhù)輸入電壓的變化，轉換效率變化很大，理論上，兩倍電荷泵電路所能達到的最高效率為：

例如，當VIN=3.1V，VOUT=5V時(shí)，效率可以達到83.3%，由于內部器件的損耗，一般也可以達到80%以上。但是，當VIN=4.2V,VOUT=5V時(shí)，理論效率最高就只有59.5%。

圖5：CP2130/1/3的工作效率圖。

從圖3中可以看到，CP2128外圍元件只需要三個(gè)電容，根據驅動(dòng)LED燈的數目的不同，需要1到5個(gè)電阻，和串聯(lián)驅動(dòng)電路相比，雖然具有效率不高的缺點(diǎn)，但是外圍元件的成本和所占PCB面積都比較小，還可以說(shuō)是一個(gè)成本相當低的解決方案。

混合模式并聯(lián)驅動(dòng)電路

為了能夠和串聯(lián)驅動(dòng)相抗衡，并聯(lián)驅動(dòng)電路要重點(diǎn)解決兩個(gè)問(wèn)題：一個(gè)是效率，一個(gè)是電流匹配。為了提高效率，非常有必要引入新的工作模式。在這種情況下，驅動(dòng)電路所產(chǎn)生的輸出電壓不再是一個(gè)固定值，而是一個(gè)適當并且可以驅動(dòng)LED的電壓值。

一般來(lái)說(shuō)，白光LED在工作電流為20mA時(shí)，正向導通電壓一般在3.1~3.5V左右。鋰電池的額定電壓為3.6V或3.7V，充滿(mǎn)電后的電壓一般在4.2V~4.3V，鋰離子電池允許深度放電到2.7V，但是在實(shí)際應用中，一般手機設置的強制關(guān)機電壓為3.6V左右(不同整機廠(chǎng)商設定的強制關(guān)機電壓可能不同)。在電池充滿(mǎn)電后，這個(gè)電壓足以直接驅動(dòng)LED，在這種情況下，電荷泵電路不工作，電池的電壓通過(guò)一個(gè)開(kāi)關(guān)直接到VOUT然后驅動(dòng)LED。而隨著(zhù)電池的放電，電池電壓會(huì )逐步降低，當降低到一定程度不足以直接驅動(dòng)LED時(shí)，電荷泵電路開(kāi)始工作。所以集成多種驅動(dòng)模式成為背光驅動(dòng)的主流解決方案，即所謂集成1倍模式和1.5倍模式，并且在盡可能的情況下，讓電路工作在1倍的直通模式下。啟攀新推出的CP2130/1/3，很好的解決了這兩個(gè)問(wèn)題。其中CP2130可以最多驅動(dòng)5個(gè)LED，CP2131可以最多驅動(dòng)3個(gè)LED，CP2133可以最多驅動(dòng)4個(gè)LED。圖4為混合模式控制原理圖。

圖6：一種典型的混合模式驅動(dòng)電路。

同樣，對于系統應用而言，最關(guān)心的指標仍是效率和LED電流匹配度。所謂效率，盡可能地工作在1倍模式能夠顯著(zhù)提高整個(gè)電池工作電壓范圍的電源轉換效率。

1. 效率

對于關(guān)注的效率問(wèn)題，CP2130/1/3實(shí)現了兩種工作模式自適應動(dòng)態(tài)切換(即根據電池電壓和LED實(shí)際導通壓降判斷)，而不是固定電壓點(diǎn)切換(即只考慮電池電壓)，從而顯著(zhù)提高了效率。只要電池電壓比LED的工作電壓高350mV至550mV(根據EN1和EN2的引腳設定不同而不同)時(shí)，CP2130/1/3就可以工作在相對效率較高的一倍模式下。

圖5所示為典型應用情況下CP2130/1/3的工作效率?？梢钥吹叫矢鶕ぷ髂Ｊ降牟煌?，是一個(gè)兩段的折線(xiàn)圖，80％的電池能量在3.6V~4.1V之間，在這個(gè)電壓范圍內可以獲得平均80%以上的工作效率。

2. 電流匹配度

和串聯(lián)驅動(dòng)相比，并聯(lián)驅動(dòng)要解決的一個(gè)重要問(wèn)題就是各個(gè)LED間的電流匹配，由于LED的發(fā)光亮度是和它的工作電流相關(guān)的，不一樣的電流會(huì )導致顯示屏的亮度不均勻。對于并聯(lián)驅動(dòng)的LED，在實(shí)際應用中，LED由于批次的不同和個(gè)體差異，在同樣工作電流情況下的正向導通壓降不同，可能會(huì )有50mV~200mV左右的電壓差值，這要求在設計內部的電流控制電路時(shí)需要考慮到這個(gè)差異。CP2130/1/3采用申請了國家專(zhuān)利保護的Auto-Mirror技術(shù)，可以使得各并聯(lián)白光LED電流匹配度幾乎不隨白光LED導通壓降的差別而變化。即使導通壓降差在50mV~200mV之間，LED的電流匹配度仍然可以達到2%以?xún)取?

圖6是一種典型應用情況，CP2130/1/3采用QFN 3*3mm² 16引腳的封裝，同時(shí)外圍元件相當簡(jiǎn)單，只需要4個(gè)電容。

3. 支持PWM調光

目前調光方式主要有兩種，一種是通過(guò)改變LED的直流工作電流的方式來(lái)調整亮度，例如，有的芯片通過(guò)設置內部的寄存器來(lái)直接設置LED的直流工作電流，從而達到不同的亮度級，這種方式的缺點(diǎn)是可能會(huì )產(chǎn)生色移。所謂白光LED，其實(shí)是利用一種作為其管芯的藍光ＬＥＤ所發(fā)出的短波長(cháng)紫藍光，激發(fā)涂布于輸出光學(xué)透鏡內壁的熒光材料，進(jìn)而產(chǎn)生波譜較寬的白色復合光。在非額定電流工作情況下，LED所產(chǎn)生的光譜會(huì )有變化，導致最終的白光有色移。

表1：LED驅動(dòng)電路對手機信號接收靈敏度影響的對比測試

而另一種方式就是PWM調光，利用人眼的視覺(jué)暫停原理，以一定的頻率和占空比來(lái)周期性的控制白光LED的導通電流在零電流到額定工作電流之間來(lái)回切換，從而調整亮度，這種調光方式就不會(huì )產(chǎn)生色移。在應用時(shí)，為了確保人眼看不到LED周期亮滅的情況，PWM調光的頻率一般要大于100Hz，CP2130/1/3可以支持0~50kHz的調光頻率范圍，這樣大大方便了系統的設計。并且由于芯片優(yōu)越的環(huán)路控制特性，保證了調光過(guò)程的平穩，消除了可能潛在的噪聲干擾。

同時(shí)對于第一種調光方法，CP2130/1/3也設置了滿(mǎn)量程、2/3量程和1/3量程三個(gè)電流等級來(lái)實(shí)現直流調光方式。

本文小結

本文對比介紹了目前常用的兩種背光驅動(dòng)解決方案。串聯(lián)驅動(dòng)電路具備效率高的優(yōu)點(diǎn)，但是外圍元件比較多，而并聯(lián)驅動(dòng)電路經(jīng)過(guò)不斷的發(fā)展，已經(jīng)由最初單純的兩倍電荷泵模式電壓控制型電路變成自適應模式選擇加電流控制的電路。這樣的電路具備了外圍元件數目少，綜合成本低的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)也避免了串聯(lián)驅動(dòng)電路通?？赡苡械腅MI干擾問(wèn)題。目前，并聯(lián)驅動(dòng)電路的方案已經(jīng)越來(lái)越多，逐步成為背光驅動(dòng)電路的主流方案。