面向微型LED的更小驅動(dòng)器——延長(cháng)電池壽命并減小電路空間

　　隨著(zhù)技術(shù)的進(jìn)步，LED正變得更小、更亮且功效更高。為了讓LED產(chǎn)生想要的亮度，需要由LED驅動(dòng)電路提供恒定的電流。當今大多數蜂窩電話(huà)采用微型白色LED及很小的LED驅動(dòng)器，從而在整個(gè)彩色LCD顯示屏上產(chǎn)生精確和均勻一致的亮度。電池壽命主要由LCD的亮度決定，當電話(huà)處于通話(huà)狀態(tài)時(shí)，LCD所耗功率大約占總功率預算的1/3。LED本身和調節電流的驅動(dòng)電路都會(huì )消耗功率。在微型LED驅動(dòng)器應用中，除了電池壽命之外，電路板的空間也是一個(gè)重要的考慮，從而使得LED驅動(dòng)器拓撲結構的選擇變得比以往任何時(shí)候更為重要。

LED驅動(dòng)器拓撲：空間因素

　　在手持設備中最流行的電池是鋰離子電池，電池電壓的范圍從滿(mǎn)充電時(shí)的4.2V下降到放電狀態(tài)的大約3.3V。在背光應用中，白光LED在電流為20mA時(shí)通常展示出大約3.4V的正向電壓(V_F)，但是，該電壓會(huì )隨著(zhù)型號和溫度而變化。為了避免低電池電壓工作期間LED出現閃爍現象，有必要引入升壓電路。兩種流行的升壓驅動(dòng)器的架構分別是開(kāi)關(guān)電容型和電感升壓型驅動(dòng)器。

　　開(kāi)關(guān)電容電荷泵并行地驅動(dòng)LED，該電路通常需要采用4個(gè)0403型封裝的1μF的陶瓷小電容，它提供了當今最為緊湊的解決方案，并且不需要電感器。圖1所示為采用2.5×2.5mm QFN封裝的三通道電荷泵驅動(dòng)器的例子，用一個(gè)外部電阻來(lái)設置LED電流。除了三個(gè)LED之外，所有需要的元器件都可以安裝在不到1平方厘米的電路板面積之內。

　　比較而言，電感升壓型LED驅動(dòng)器則采用一個(gè)電感來(lái)提升電壓并以串聯(lián)方式驅動(dòng)LED。這類(lèi)驅動(dòng)器的主要好處在于流經(jīng)LED的電流一樣，從而產(chǎn)生理想的亮度匹配；缺點(diǎn)在于線(xiàn)繞電感器的形狀大，具體大小取決于電感值和額定電流。例如，在背光應用中，額定電流為200mA的22μH電感的高度為1~2mm，而占位面積為2×2mm~4×4mm。電感的高度越低，其表面積就越大。根據不同的LED驅動(dòng)器類(lèi)型，可能還需要外部肖特基二極管。假設一個(gè)封裝為SOT23的驅動(dòng)器采用一個(gè)外部肖特基二極管，則除了三個(gè)LED之外，總的電路板面積還約需1.5mm2。

　　比較所需要的電路板資源可見(jiàn)，電路板面積節省了1/3；如果把電感升壓方案替換為電荷泵方案，就可以節省更多的電路板面積。對兩種拓撲的選擇常常由LCD LED的配置來(lái)規定，這些LED要么采用串聯(lián)方式配置，要么采取并聯(lián)方式配置。具有串聯(lián)LED配置的LCD僅僅需要兩個(gè)與LED連接的端口，而并聯(lián)LED配置的LCD所需要的端口數則多達LED的數量，還要再加一個(gè)公共接點(diǎn)。故對于較大面板的LCD，人們寧愿采用串聯(lián)結構以將連接點(diǎn)的數量減到最少。

圖1：Catalyst三通道電荷泵LED驅動(dòng)器外形圖。

延長(cháng)電池壽命

　　圖2所示為鋰離子電池電壓放電的例子。此例中，780mAh的典型手機電池被用來(lái)向工作電流為20mA的LED連續供電。電池放電時(shí)間顯示在水平軸上，結果得到的總的持續時(shí)間稍微超過(guò)9個(gè)小時(shí)。如果把這個(gè)電荷泵驅動(dòng)器與基于電感的解決方案比較，所測得的電池壽命(取決于電感升壓驅動(dòng)器IC)僅僅有百分之幾的微小差異。

圖2：鋰離子電池電壓放電曲線(xiàn)(LED V_F為3.3V)。

　　在電池電壓足以直接為L(cháng)ED直接供電的時(shí)候，電荷泵驅動(dòng)器就工作在1x模式；當電池電壓下降到與LED V_F接近的時(shí)候，驅動(dòng)器自動(dòng)轉換到1.33x電荷泵模式，此時(shí)，輸出電壓在內部被提升到輸入電壓的1.33倍。圖2所示為驅動(dòng)4個(gè)V_F為3.3V、工作電流為20mA的LED時(shí)的整個(gè)電池壽命期間的電池電壓和電流工作曲線(xiàn)。在1x模式，輸入電流大約為80mA，在1.33x模式增加到110mA。在1x模式，輸入電流基本上等于總的LED電流(忽略1到2mA的靜態(tài)電流)。在1.33x模式，輸入電流大約為輸出電流的1.33倍；而在1.5x模式，輸入電流是輸出電流的1.5倍。在電荷泵模式中，輸入電流越大，電池消耗得越快。對于鋰電池應用，在驅動(dòng)器保持在1.33x模式且不進(jìn)入1.5x模式時(shí)，電池電壓可以下降到3V。

　　電荷泵LED驅動(dòng)器的一個(gè)重要優(yōu)點(diǎn)是其能夠盡可能長(cháng)時(shí)間地保持在1x模式的能力，另外還有低輸出電阻(小于1Ω)和低LED引腳電壓降(大約150mV)特性。圖2顯示了本例中向電壓為3.5V的1.33x模式的轉換，轉換后的電壓比3.3V的V_F高200mV。

LED正向電壓

　　LED的關(guān)鍵特性是其V_F與電流的關(guān)系。圖3所示為工作電流為20mA、V_F高達3.5V的LED的電池壽命。對于這種驅動(dòng)器IC，輸出電壓必須比LED V_F高200mV，因此需要將1X向電荷泵模式轉換的電壓設置到大約3.7V。在電荷泵工作模式的時(shí)間越長(cháng)，電池壽命就越短。在本例中，由于采用比3.3V更高的3.5V的V_F，電池壽命減少半小時(shí)或總量的5%。

圖3：工作電流為20mA、V_F高達3.5V的LED的電池壽命曲線(xiàn)。

　　當從小于3.7V的電池電壓開(kāi)始工作時(shí)，四模式分數電荷泵—包含一個(gè)1.33x模式開(kāi)關(guān)架構—展示了比其它LED驅動(dòng)器更高的效率。與僅僅工作在1.5x模式相比，在1.33x模式工作的好處在于(在本例子中)電源電流為110mA，效率比電源電流為122mA時(shí)提高了10%。對于更高V_F的LED來(lái)說(shuō)，電池壽命更短。

　　與2~6個(gè)LED應用中所使用的電感升壓驅動(dòng)器相比，分數電荷泵，特別是最新的四模電荷泵LED驅動(dòng)器，可提供可與之媲美的效率。電荷泵的優(yōu)點(diǎn)在于它們的結構緊湊、便于實(shí)現且具有低噪聲性能。這些功能的結合使它們成為手持設備中小型LCD屏幕背光照明的極具吸引力和頗受歡迎的解決方案。LED的正向電壓特性及其驅動(dòng)器指標是選擇微型LED和驅動(dòng)器IC的重要參數。

作者：Fabien Franc

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