線性WLED驅(qū)動器在LCD背光中的應(yīng)用

提高能源效率是當(dāng)今世界最普遍的挑戰(zhàn)之一。由于新的能源標(biāo)準(zhǔn)越來越嚴(yán)格，消費(fèi)者的意識不斷提升，消費(fèi)電子產(chǎn)業(yè)也在不斷地向提高效率發(fā)展。對更高效率的需求推動創(chuàng)新企業(yè)開發(fā)更加智能的電源管理技術(shù)。其中，顯示器背光是發(fā)展最快的一個領(lǐng)域。無論是在移動電話、MP3 播放器、便攜式游戲機(jī)還是GPS系統(tǒng)中，LCD屏幕背后的光源使得這一切更多姿多彩。

為這些屏幕供電就像許多工程的挑戰(zhàn)一樣，根據(jù)具體應(yīng)用形成了各種各樣的解決方案。在便攜式顯示器背光市場，一種更新、更智能的解決方案將徹底改變LCD屏幕的照明方式。本文將討論當(dāng)今市場中比較常用的解決方案，并介紹更易于使用、需要更少外部元件、更低成本且具有更高效率的替代解決方案。

升壓WLED驅(qū)動器

在便攜市場中，鋰離子電池是最常用的一種電能來源。典型的鋰離子電池充滿電時的電壓約為4.2V。電池會隨著電流的消耗而放電，但是，大約80%的電池壽命在3.9V至3.5V范圍內(nèi)。只需要對LED提供約3.3V的正向偏置，就能使其發(fā)光。升壓LED驅(qū)動器可通過將較低輸入電壓(來自鋰離子電池)提升至較高輸出電壓(LED兩端)同時為多個LED供電。較高的輸出電壓用于使串聯(lián)的LED串正向偏置。升壓驅(qū)動器根據(jù)能夠承載的電壓，可以一次驅(qū)動多個LED。例如，如果開關(guān)晶體管的額定電壓為24V，那么，升壓LED驅(qū)動器可輕松使串聯(lián)的六個LED正向偏置(6x3.3VLED≈20V)。圖1示出有六個串聯(lián)LED的典型升壓LED驅(qū)動器。

圖1 六個LED的典型升壓LED驅(qū)動器電路。

典型的升壓LED驅(qū)動器電路總共需要四個外部元件，即，一個輸入電容器(CIN)、一個輸出電容器(COUT)、一個電感器(L)和一個置位電阻器(RSET)。如圖1所示，LED電流由FB處電壓除以電阻(RSET)得出。升壓LED驅(qū)動器基本上是一個改良的升壓穩(wěn)壓器，能夠以較低反饋電壓降低通過RSET電阻器的電能損失。與升壓穩(wěn)壓器類似，這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)使用電感器和內(nèi)部功率晶體管將能量轉(zhuǎn)移和傳輸?shù)捷敵龆?OUT)。因此，它也繼承了升壓穩(wěn)壓器的缺點(diǎn)，例如，輕載時效率低、開關(guān)噪音，以及有時由壓電效應(yīng)引起的可聞噪音問題(由陶瓷電容器兩端的高交變電壓產(chǎn)生的噪音)。圖2示出典型升壓LED驅(qū)動器的效率曲線。

圖2 型升壓LED驅(qū)動器的效率。

如圖2所示，用于驅(qū)動六個LED的典型升壓LED驅(qū)動器具有大約80%的峰值效率。該數(shù)值可因所用的電感器不同而有所不同。較大尺寸的電感器通常能夠提供更高的效率，但是需要更大的尺寸和更高的成本。LED電流較低時(調(diào)光過程中)，由于開關(guān)損耗，效率會降低，這往往是使用升壓LED驅(qū)動器的一個缺點(diǎn)。低效率會根據(jù)應(yīng)用情況造成潛在的能源浪費(fèi)，但同時也留下了改進(jìn)余地。如果選擇升壓LED驅(qū)動器作為解決方案，但大多數(shù)時間卻用于較低電流區(qū)域(低于20mA)，那么，系統(tǒng)將會變得效率低下。假設(shè)系統(tǒng)設(shè)計者大部分時間以全亮度使用升壓LED驅(qū)動器，其效率能樣大部分鋰離子電池的壽命維持在80%，如圖2所示。為給定應(yīng)用選擇適當(dāng)?shù)腖ED驅(qū)動器固然具有挑戰(zhàn)性，不過，如果未能全面考慮所有參數(shù)，還將會損害便攜系統(tǒng)中寶貴的電池壽命。

電荷泵WLED驅(qū)動器

當(dāng)前市面上的另一種LED驅(qū)動器是電荷泵LED驅(qū)動器。電路如圖3所示。

圖3 型電荷泵LED驅(qū)動器。

電荷泵LED驅(qū)動器驅(qū)動并聯(lián)的各個LED。典型的電荷泵總共需要五個外部元件，即，一個輸入電容器(C1)、一個輸出電容器(C2)、兩個電荷泵電容器(Cx、Cy)和一個置位電阻器(RSET)。電荷泵優(yōu)于升壓穩(wěn)壓器的一點(diǎn)是，它使用兩個電荷泵電容器代替大型的外部電感器。另一個優(yōu)勢在于它輕載時的效率。由于輕載時無開關(guān)損耗，因此，電荷泵能夠在各種負(fù)載范圍內(nèi)維持較高的效率。當(dāng)鋰離子電池電壓較高時，電荷泵處于旁路模式。在這種模式下，輸入電壓(VIN)通過電荷泵的內(nèi)部晶體管連接到輸出端(OUT)。當(dāng)電池電壓低于使LED正向偏置所需的正向電壓時，電荷泵將激活。通過對串聯(lián)的電容器(Cx和Cy)充電，然后將它們并聯(lián)以提供能量，可使輸出端的電壓增大50%。這種電荷泵方法使LED能夠被完全偏置，即使電池電壓低于LED正向電壓也如此。但是，這要通過切換多個內(nèi)部開關(guān)來完成，而不理想的開關(guān)會造成能量損耗。例如，大多數(shù)情況下，電荷泵處于旁路模式，這時輸入電壓通過內(nèi)部開關(guān)連接到輸出端。只要LED打開，即使電荷泵未激活，開關(guān)中也會有能量損耗。電荷泵工作時，由于電容器充電和放電過程中以及開關(guān)中的能量損耗，使得它的效率極其低下。由于鋰離子電池壽命是從3.9V到3.5V，因此，在電池壽命幾乎耗盡時泵入電壓是徒勞之舉。電荷泵LED驅(qū)動器的固有問題是，它們在旁路模式下會浪費(fèi)能量，并且在最終升壓階段效率低下。給定應(yīng)用中某種解決方案的低效率會引導(dǎo)人們開發(fā)另一種沒有此類缺陷的解決方案。

線性WLED驅(qū)動器

Micrel線性LED驅(qū)動器系列(MIC2841A、MIC2842A、MIC2843A、MIC2844A、MIC2845A、MIC2846A)是高效、低成本且易于使用的解決方案，專為驅(qū)動便攜顯示器背光市場中的LED而設(shè)計。圖4示出典型的線性LED驅(qū)動器電路。

圖4 型線性LED驅(qū)動器。

如圖4所示，MIC2844A直接從鋰離子電池(VIN)驅(qū)動并聯(lián)的LED，并且需要兩個外部元件：輸入電容器(C1)和置位電阻器(RSET)。D針腳(D1至D6)屬于低壓差線性驅(qū)動器，其專用于吸收電流值等于RSET設(shè)定的值的電流。由于LED的亮度取決于LED電流，因此在正常工作條件下，針腳之間的電流匹配設(shè)計為低于1.5%。這樣能夠確保整個LCD面板的亮度均勻。由于直接從鋰離子電池驅(qū)動LED，因此在D針腳處具有低壓差對于延長電池壽命來說非常重要。電壓隨著鋰離子電池放電而降低。為了確保LED完全偏置的時間達(dá)到最大值，每個D針腳處的壓差設(shè)計為在電流為20mA時低于40mV。例如，如果LED正向電壓為3.3V，那么鋰離子電池電壓可以低至3.34V，且仍可使LED完全偏置。線性LED驅(qū)動器的效率可通過下列公式計算：

效率=(VLED x ILED) / (VBATTERY x (ILED + ISUPPLY))

電源偏置電流 (ISUPPLY = 1.4mA) 將是系統(tǒng)中的唯一能量損耗，但為了使內(nèi)部電路偏置，這是必需的。將LED正向電壓(VLED=3.3V)、LED電流(ILED=20mA)和鋰離子電池電壓(VBATTERY=3.34V)值代入該公式，得到線性LED驅(qū)動器的效率最高可達(dá)92%。圖5示出線性LED驅(qū)動器的效率。

圖5 型線性LED驅(qū)動器的效率。

由于鋰離子電池壽命主要是從3.9V到3.5V，20mA時正向電壓為3.3V的LED產(chǎn)生的線性LED驅(qū)動器效率將為85%到92%。這一效率比升壓LED驅(qū)動器提供的效率(如圖2所示)更高。由于線性LED驅(qū)動器所用的外部元件更少，因此，在當(dāng)前情況下，線性LED驅(qū)動器是更明智的選擇。電荷泵和線性LED驅(qū)動器均驅(qū)動并聯(lián)LED，它們的效率似乎應(yīng)該相似。但是，由于線性LED驅(qū)動器無內(nèi)部開關(guān)晶體管損耗，因此效率比電荷泵LED驅(qū)動器(無論其是否執(zhí)行泵工作)更高。如果鋰離子電池低于3.3V，大多數(shù)便攜設(shè)備將使用省電模式，這會減小LED電流。這反過來又會降低LED正向電壓，并使LED被完全驅(qū)動，即使電池電壓較低時也如此。這種機(jī)制使電荷泵無用武之地。由于大多數(shù)便攜系統(tǒng)設(shè)計為當(dāng)電池電壓降至低于3.3V時關(guān)機(jī)，因此在此階段沒有必要對電池電壓進(jìn)行電荷泵處理?？紤]到大多數(shù)便攜電子產(chǎn)品的操作方式，這使線性LED驅(qū)動器超越當(dāng)前市場上的所有其他解決方案。

本文小結(jié)

技術(shù)的發(fā)展正在將便攜電子產(chǎn)業(yè)不斷推向前沿。只要存在改進(jìn)機(jī)會，就會出現(xiàn)新的解決方案以取代舊的解決方案。LCD背光市場中存在各種各樣的解決方案，但其中只有一種能夠推動行業(yè)向前發(fā)展。Micrel線性WLED驅(qū)動器系列專門針對便攜應(yīng)用而設(shè)計，其中，效率、尺寸和成本是最關(guān)鍵的考慮因素。該系列線性驅(qū)動器僅需要一個電阻和一個電容器，便能夠保持最高的效率(高達(dá)92%)，最小的解決方案尺寸(MIC2844A封裝為2mmx2mm)和最低的成本。這些線性LED驅(qū)動器不僅在這三大關(guān)鍵方面都具備優(yōu)勢，同時還保持靈活性和易用性。借助高于1.5%的匹配度和可用的PWM及數(shù)字調(diào)光控制，Micrel線性WLED驅(qū)動器系列將揭開便攜電子領(lǐng)域中WLED驅(qū)動方式的革命序幕。