移動(dòng)電話與PDA應(yīng)用中LED照明驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)

LED如何改善移動(dòng)電話與PDA中的燈光效果和性能

由于具備高照明效率、長(zhǎng)效性與小體積，LED已成為便攜式設(shè)備，如移動(dòng)電話與PDA等的必然選擇，約0.1W的低功耗白光LED目前正廣泛應(yīng)用在LCD顯示面板的背光與鍵盤(pán)照明上，當(dāng)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(yīng)用，而可達(dá)1W的高功率LED則應(yīng)用在配備兩百萬(wàn)像素，甚至更高分辨率的拍照手機(jī)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(lán))光LED也經(jīng)常被用來(lái)強(qiáng)化移動(dòng)電話的質(zhì)感，通過(guò)三種色彩精確適當(dāng)?shù)鼗旌?，RGB LED可創(chuàng)造出豐富多樣的色彩。

在指示應(yīng)用上，當(dāng)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(xiàng)功能不僅為移動(dòng)電話帶來(lái)個(gè)性化，同時(shí)在非常吵雜的環(huán)境中也相當(dāng)有用。為進(jìn)一步強(qiáng)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(yīng)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)電話的機(jī)殼下方，因此可以依使用者的心情顯示不同的色彩。

LED效能的改善和電氣特性

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(dá)到100lm/W，相當(dāng)接近日光燈管，而一些領(lǐng)先公司也嘗試在藍(lán)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(shè)計(jì)方案，因此提供面板背光所需的LED數(shù)目將持續(xù)下滑，目前移動(dòng)電話上標(biāo)準(zhǔn)LCD面板所需的背光LED大約為2~4顆，而PDA或智能型手機(jī)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(qū)動(dòng)電路結(jié)構(gòu)與新功能前，先回顧一下移動(dòng)電話與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(V_f)大約在2.7~4V之間，通常高功率LED擁有高達(dá)4.9V的較高正向電壓，因此LED驅(qū)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(dāng)采用多顆LED來(lái)提供背光時(shí)，在驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)上應(yīng)考慮正向電壓間的差距，為了得到相同的照明強(qiáng)度，也就是讓不同的LED發(fā)出相同的色彩，設(shè)計(jì)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(dá)1.5A的脈沖電流來(lái)驅(qū)動(dòng)。

電池的電氣特性

目前移動(dòng)電話與PDA中最常見(jiàn)的電池為鋰離子或者鋰高分子可充電電池，采用鋰材料的可充電電池額定電壓范圍是3.6V~3.7V，工作電壓則為4.2V~3.2V，為確保能夠安全工作，這類型的鋰電池只能夠在1C的范圍內(nèi)充電或放電，這里C由電池的額定容量所決定，例如1,000mAh的電池最高放電電流為1A，移動(dòng)電話通常使用的電池容量大約在650~1,000mAh之間。為改善電池的效能，采用不同陰極材料的新型鋰離子電池已開(kāi)始開(kāi)發(fā)。在使用這類電池組時(shí)，設(shè)計(jì)工程師應(yīng)該遵守電氣規(guī)格限制并據(jù)此調(diào)整驅(qū)動(dòng)電路。

在使用最高正向電壓為3.4V～4V的LED時(shí)，由電池提供的輸入電壓必須等于或高于所需的驅(qū)動(dòng)電壓，因此需要一個(gè)具有穩(wěn)定電流功能的升壓式轉(zhuǎn)換器來(lái)推動(dòng)以串聯(lián)或并聯(lián)方式連接的LED。

電荷泵轉(zhuǎn)換器目前廣泛使用在LCD的背光驅(qū)動(dòng)上，與采用電感式的升壓式轉(zhuǎn)換解決方案比較，電荷泵驅(qū)動(dòng)電路由于具備較低的成本、較薄的厚度以及較低的噪聲特性而成為較佳的選擇，新推出的集成電路設(shè)計(jì)已經(jīng)逐漸改善電荷泵驅(qū)動(dòng)電路的效率，目前最高效率可超過(guò)93%，而平均效率則約為80%。電荷泵驅(qū)動(dòng)電路通常采1x與2x模式運(yùn)作，部分設(shè)備中則加入了1.33x與1.5x模式來(lái)改善效率，在這類解決方案中，LED采用并聯(lián)方式連接，同時(shí)每個(gè)LED的電流由各自獨(dú)立的匹配電流源提供，最佳的驅(qū)動(dòng)芯片在相同電路中任兩個(gè)LED電流間的匹配誤差約為0.2%。

在便攜式設(shè)備中，當(dāng)按鍵盤(pán)或觸摸屏?xí)r所用的LED電流最高，而在幾秒鐘沒(méi)有動(dòng)作后，為降低功耗LED電流將降低，控制LED電流的一個(gè)常見(jiàn)方式是采用PWM脈沖來(lái)驅(qū)動(dòng)芯片的使能端，通過(guò)啟動(dòng)與關(guān)閉芯片，其輸出電流為PWM信號(hào)占空比的平均值。對(duì)于新LED驅(qū)動(dòng)芯片，由于采用單根(S-Wire)或兩根線的I²C接口，故只需用一或兩個(gè)I/O口，因而設(shè)計(jì)非常簡(jiǎn)單。

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(yīng)用在便攜式設(shè)備啟動(dòng)或關(guān)機(jī)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)以預(yù)先設(shè)定的時(shí)間間隔以步進(jìn)方式逐步放大到20mA，同樣在關(guān)機(jī)時(shí)采用相反的動(dòng)作逐步降低，通過(guò)微處理器的幫助，可將具備不同頻率的PWM信號(hào)送到LED驅(qū)動(dòng)電路的使能端來(lái)實(shí)現(xiàn)這樣的效果，以特定時(shí)間間隔將LED電流用多重步進(jìn)的方式加大或降低，但這個(gè)方法的缺點(diǎn)是耗費(fèi)實(shí)時(shí)處理器資源，在NCP5602與NCP5612這類的LED驅(qū)動(dòng)芯片產(chǎn)品上就具有此功能，參考圖1。

圖1：典型的兩顆LED式電荷泵驅(qū)動(dòng)器應(yīng)用。(a) 采用I²C控制接口的LED驅(qū)動(dòng)電路；(b) 采用單線式S-Wire控制接口的LED驅(qū)動(dòng)電路。

這些驅(qū)動(dòng)芯片需要兩個(gè)箝位電容，分別位于輸出與輸入端以及一個(gè)用來(lái)控制最高輸出電流的電阻(R1)，漸進(jìn)式亮度變化控制指令則由處理器通過(guò)I²C或I/O口送到驅(qū)動(dòng)芯片，指令本身應(yīng)該包含起始與最終電流值以及亮度變化的時(shí)間間隔。

如果應(yīng)用在RGB LED上時(shí)，這樣的功能就能夠用來(lái)產(chǎn)生情境式的照明效果，每個(gè)RGB LED都有32級(jí)亮度，像NCP5623這類的LED驅(qū)動(dòng)芯片就可達(dá)到驚人的32,768種色彩變化，由于如此精細(xì)的亮度級(jí)差及內(nèi)嵌有對(duì)數(shù)算法，色彩的變化呈線性化且相當(dāng)柔順，RGB LED驅(qū)動(dòng)電路包含用來(lái)調(diào)整3顆LED輸出電流的獨(dú)立控制PWM電流源，以便產(chǎn)生所需的色彩輸出。

圖2：具備I²C控制接口的典型RGB LED驅(qū)動(dòng)芯片應(yīng)用。

由于每個(gè)電流輸出的時(shí)序與電流大小都可以獨(dú)立控制調(diào)整，因此我們就能夠使用白光或帶有色彩的LED，并利用不同的發(fā)光模式來(lái)實(shí)現(xiàn)豐富多彩的裝飾或指示，部分具備音頻輸入的電路還能夠讓彩色LED與內(nèi)部嵌入的MP3或和弦鈴聲的不同頻帶相同步。

ICON模式

您是否曾在黑暗中從移動(dòng)電話上看時(shí)間，這時(shí)明亮背光與黑暗環(huán)境的強(qiáng)烈對(duì)比對(duì)眼睛來(lái)說(shuō)相當(dāng)不舒服，如果您在觀賞電影過(guò)程中覺(jué)得無(wú)聊來(lái)看時(shí)間，還可能會(huì)干擾隔壁的觀眾，這也就是為什么采用“ICON”模式，即在待機(jī)模式下以微小的電流在外部LCD面板上顯示時(shí)間或用戶定義的圖片。不過(guò)如果這必須通過(guò)PWM亮度控制來(lái)實(shí)現(xiàn)，那么處理器就得在整個(gè)待機(jī)模式下產(chǎn)生一個(gè)連續(xù)的低頻PWM信號(hào)，在NCP5602中，這個(gè)功能采用硬件方式實(shí)現(xiàn)，并且通過(guò)表1中的數(shù)字命令來(lái)加以啟動(dòng)。

表1：NCP5602的I²C內(nèi)部寄存器位安排。

由處理器送到驅(qū)動(dòng)芯片的數(shù)據(jù)字節(jié)中的B5代表的是ICON模式的狀態(tài)，當(dāng)B5為L(zhǎng)OW時(shí)，表示使用的是正常的背光模式，每個(gè)LED的電流可以在0mA～30mA之間調(diào)整，當(dāng)B5為HIGH時(shí)，那么就會(huì)啟動(dòng)ICON模式，并且只會(huì)將450μA的電流送到所連接的兩顆LED中的一個(gè)上，在這個(gè)器件中ICON模式的電流值為固定值，但在類似NCP5612的產(chǎn)品上，這個(gè)電流則可以通過(guò)單線式通訊協(xié)議來(lái)加以控制，圖3顯示了通過(guò)I²C通訊協(xié)議中SCL與SDA連接線的ICON控制程序。

圖3：ICON模式控制時(shí)的簡(jiǎn)單SCL與SDA連接線上的數(shù)據(jù)順序。

線性穩(wěn)壓器/電流源解決方案

在使用具備約3.3V較低正向電壓的叢集式LED時(shí)，可選擇線性穩(wěn)壓器提供驅(qū)動(dòng)電流，線性穩(wěn)壓器與開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換器比較，優(yōu)勢(shì)在于較低成本及較低電磁干擾，因線性穩(wěn)壓器只需在驅(qū)動(dòng)芯片的外圍加入幾顆電阻，且無(wú)需使用開(kāi)關(guān)器件，但這類解決方案的缺點(diǎn)是降低了電池電壓工作范圍，圖4顯示使用NUD4301低壓降線性穩(wěn)壓器做為兩顆LED驅(qū)動(dòng)電路的情況，依標(biāo)準(zhǔn)0.2V壓降及3.3V的LED正向電壓考慮，穩(wěn)壓器將在電池電壓低于3.5V時(shí)離開(kāi)穩(wěn)壓模式進(jìn)入飽和模式，這將造成穩(wěn)壓器輸出電流大幅下滑且LED亮度變暗。但若最低電池電壓在可接受范圍，則線性穩(wěn)壓器還是小型LCD面板最具成本效益的背光解決方案。

圖4：采用線性穩(wěn)壓器NUD4301做為推動(dòng)小型LCD面板背光的兩顆LED驅(qū)動(dòng)電路。

移動(dòng)電話上的臨時(shí)照明應(yīng)用

移動(dòng)電話所提供的LED照明功能普遍被認(rèn)為是相當(dāng)精妙的設(shè)計(jì)，由許多手電筒現(xiàn)在都由數(shù)顆低功率LED組成，并通過(guò)相對(duì)較低的20mA到60mA電流驅(qū)動(dòng)的趨勢(shì)可看出。這類照明可做為便攜式手電筒，但它微弱的照明強(qiáng)度對(duì)支持黑暗環(huán)境下的拍照動(dòng)作卻顯不足，事實(shí)上必須要有一個(gè)或更多高功率LED才能支持1米或更遠(yuǎn)的物體拍攝照明，阻礙工程師采用高功率LED的主要原因還是成本問(wèn)題，但在臺(tái)灣地區(qū)與韓國(guó)制造商逐漸提高功率LED的產(chǎn)能后，預(yù)料單價(jià)將會(huì)開(kāi)始下降。

高功率閃光燈用LED

在照明與閃光模式下通常使用不同的電流與驅(qū)動(dòng)時(shí)間，例如在照明模式下可以使用200mA的連續(xù)電流，而在閃光模式下則采用400mA到1A的脈沖電流，閃光脈沖的時(shí)間長(zhǎng)短依相機(jī)模塊的特性而定，通常閃光脈沖的寬度介于20ms到200ms之間，閃光驅(qū)動(dòng)電路能支持閃光LED大約1A的驅(qū)動(dòng)電流，提供LED高達(dá)4.9W的輸出，為讓LED的結(jié)溫維持在最高可容的范圍，必須用良好的溫度管理策略，將脈沖寬度縮小有助降低不必要的消耗，而較大的接地面積也是將熱量從LED導(dǎo)出的一個(gè)推薦方法。

單顆高功率閃光燈驅(qū)動(dòng)電路

升壓式轉(zhuǎn)換器是支持高功率LED中最高達(dá)4.9V正向電壓的必備條件，但是就算是相同的LED芯片，正向電壓在不同條件下也會(huì)不同。當(dāng)LED升溫時(shí)，正向電壓可能會(huì)滑落到低于輸入電池電壓，因此就需要降壓式轉(zhuǎn)換器。技術(shù)上說(shuō)，升降壓轉(zhuǎn)換器是推動(dòng)單顆高功率LED最合適解決方案，但這類驅(qū)動(dòng)芯片通常成本較高，同時(shí)需要配用提高總體成本與體積的外部電感。升降壓轉(zhuǎn)換器的優(yōu)點(diǎn)則在于較高的整體效率，主要原因是完全使用了電池的能量，同時(shí)能提供超過(guò)1A甚至更高的超高輸出電流。新推出的高電流電荷泵驅(qū)動(dòng)電路是升降壓轉(zhuǎn)換器的一個(gè)低成本替代解決方案。但電荷泵轉(zhuǎn)換器的輸出電流最高大約在700mA，主要還是受到較低效率以及從電池吸取電流的限制。

集成型照明管理芯片

具備背光與閃光功能，部分甚至還具備RGB與其它影音功能的集成型照明管理芯片(LMIC)目前已經(jīng)面市，它包含可采用電荷泵或電感式設(shè)計(jì)的升壓轉(zhuǎn)換器。每個(gè)輸出則由可調(diào)式電流源提供，這樣的解決方案在翻蓋式或滑蓋式手機(jī)中特別有用，因?yàn)樗馊チ擞呻娫垂芾韱卧诫娫捔硪幻嫠璧拈L(zhǎng)路徑。NCP5608是一個(gè)可提供高達(dá)500mA的總電流，配備8個(gè)輸出的集成型電荷泵驅(qū)動(dòng)芯片，它的輸出電流可由處理器通過(guò)I²C端口來(lái)調(diào)節(jié)，同時(shí)也能組成不同的LED配置來(lái)滿足各種平臺(tái)的需求。目前通過(guò)單線的數(shù)字控制已廣泛應(yīng)用在獨(dú)立型背光LED驅(qū)動(dòng)芯片上，不過(guò)這樣的控制協(xié)議對(duì)LMIC來(lái)說(shuō)速度太慢且太復(fù)雜，原因在集成驅(qū)動(dòng)電路中需采用各種不同的控制組合。相反，在LMIC上通常會(huì)使用具有時(shí)鐘與數(shù)據(jù)線的I²C或其它專用控制協(xié)議。

圖5：集成型LED驅(qū)動(dòng)芯片提供了各種不同的LED組合變化，從4顆以25mA電流驅(qū)動(dòng)的背光功能與4顆提供閃光燈用的100mA LED，一直到結(jié)合所有輸出來(lái)推動(dòng)一個(gè)高功率LED的閃光燈應(yīng)用。

圖6：具備內(nèi)部開(kāi)關(guān)與時(shí)間限制保護(hù)的4.5W功率閃光燈驅(qū)動(dòng)電路。

拍照手機(jī)中真正的閃光燈功能

市場(chǎng)上已出現(xiàn)300萬(wàn)甚至更高像素的移動(dòng)電話來(lái)支持高質(zhì)量的照相功能，為能讓LED提供與氙氣式閃光燈媲美的照明強(qiáng)度，可通過(guò)推動(dòng)兩顆或更多的高功率LED作為閃光燈；具備4.5W高功率驅(qū)動(dòng)能力的電感式升壓轉(zhuǎn)換器可以500mA的驅(qū)動(dòng)電流推動(dòng)兩顆串聯(lián)的LED。注意，在這類驅(qū)動(dòng)電路中必須加入時(shí)間限制保護(hù)電路以避免LED長(zhǎng)時(shí)間工作而損壞，同時(shí)驅(qū)動(dòng)芯片中也應(yīng)加入開(kāi)關(guān)來(lái)改變照明與閃光應(yīng)用時(shí)的電流大小。

本文小結(jié)

LED的批量供貨已經(jīng)讓移動(dòng)電話與PDA上LCD面板背光用低功率LED的單價(jià)越來(lái)越低，新推出的背光驅(qū)動(dòng)芯片也內(nèi)嵌步進(jìn)式亮度控制以及不需任何軟件設(shè)計(jì)，同時(shí)也不耗費(fèi)任何微處理器資源的情境照明控制功能，而這些LED驅(qū)動(dòng)電路可以幫助便攜式產(chǎn)品制造商縮短開(kāi)發(fā)時(shí)間。而在較低成本的解決方案上，則可以使用線性穩(wěn)壓器來(lái)推動(dòng)正向電壓較低的LED。另一方面，市場(chǎng)上也出現(xiàn)幾種閃光燈驅(qū)動(dòng)解決方案。分別為獨(dú)立型升降壓轉(zhuǎn)換器、高電流電荷泵驅(qū)動(dòng)電路以及照明管理芯片。大部分的功率閃光燈可能包含幾個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的LED或一顆高功率LED，目前拍照手機(jī)中高功率LED尚未普及的主要原因是單價(jià)較高。在部分高端移動(dòng)電話中使用了兩顆LED以便提供較高亮度的閃光燈來(lái)強(qiáng)化拍照手機(jī)的拍照效果。在拍照手機(jī)逐漸取代數(shù)碼相機(jī)的趨勢(shì)下，更高功率的閃光燈解決方案將越來(lái)越普及，從而為用戶提供真正的拍照體驗(yàn)。