手機(jī)白光LED驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)

多年來，發(fā)光二極管(Light Emitting Diode;LED)已經(jīng)廣泛使用在狀態(tài)指示以及信息顯示屏上，現(xiàn)在我們更可以在常見的紅、綠及黃光之外，選用藍(lán)光以及廣泛應(yīng)用于便攜式設(shè)備的白光產(chǎn)品。舉例來說，白光LED被認(rèn)為是彩色顯示設(shè)備的理想背光照明，但在為這些新型LED設(shè)計(jì)電源時(shí)，我們必須注意其本身的特性。本文對(duì)手機(jī)白光LED驅(qū)動(dòng)電路分析和解決。

　
　推動(dòng)移動(dòng)電話顯示由單色轉(zhuǎn)換為彩色的一個(gè)主要趨勢(shì)是拍攝功能的集成。最初這些成像器件的分辨率相當(dāng)有限，同時(shí)圖像質(zhì)量也不佳。但隨著技術(shù)的發(fā)展，分辨率由30萬像素的VGA等級(jí)進(jìn)展到100至200萬級(jí)像素，并快速朝向300萬像素以上的分辨率級(jí)邁進(jìn)。在成像器件、處理器與軟件不斷得到改進(jìn)后，消費(fèi)者現(xiàn)在希望得到更多的數(shù)碼相機(jī)功能，例如低照明情況下需要的閃光燈，甚至是自動(dòng)對(duì)焦等。在這樣的分辨率下，良好的畫質(zhì)輸出以及圖片與視頻分享變得更加實(shí)用，這些更高密度的CMOS成像器件需要從目標(biāo)獲得更多的反射光，因此進(jìn)一步推動(dòng)了集成閃光功能的需求。

　　LED驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)的新要求

　　LED在具體的使時(shí)，要注意驅(qū)動(dòng)電路的選用。LED 驅(qū)動(dòng)電路除了要滿足安全要求外，另外的基本功能應(yīng)有兩個(gè)方面：一是盡可能保持恒流特性，尤其在電源電壓發(fā)生±15%的變動(dòng)時(shí)，仍應(yīng)能保持輸出電流在±10%的范圍內(nèi)變動(dòng)。 二是驅(qū)動(dòng)電路應(yīng)保持較低的自身功耗，這樣才能使LED 的系統(tǒng)效率保持在較高水平。根據(jù)能量來源的不同，LED驅(qū)動(dòng)電路總體上可分為兩類，一是AC/ DC轉(zhuǎn)換，能量來自交流市電，二是DC/ DC轉(zhuǎn)換，能量來自干電池、可充電電池、蓄電池等。根據(jù)LED驅(qū)動(dòng)原理的不同，又可以分為線性驅(qū)動(dòng)電路和開關(guān)驅(qū)動(dòng)電路。

　　要將傳統(tǒng)的氙氣閃光燈放置到尺寸相當(dāng)緊湊的手機(jī)內(nèi)對(duì)設(shè)計(jì)工程師來說極具挑戰(zhàn)性，因?yàn)槌舜执蟮拈W光用高壓電容外，還必須加上燈泡以及相關(guān)的變壓器與電子線路，而傳統(tǒng)的閃光燈也不適用于視頻拍攝的用途。慶幸的是，LED制造商已經(jīng)著手通過采用如氮化銦鎵(InGaN)等新材料來提升功率LED的光輸出。

　　圖1：基于NCP5005的電感式LED驅(qū)動(dòng)電路。

　　另一方面，半導(dǎo)體制造技術(shù)的創(chuàng)新以及封裝方式的改進(jìn)也提高了能夠產(chǎn)生的流明數(shù)以及光電轉(zhuǎn)換效率。要產(chǎn)生最高的光輸出，這些功率LED可能需要400mA或更高，且脈沖寬度在50到200ms的電流輸出能力。但是對(duì)視頻應(yīng)用來說，則需要較小的電流，但時(shí)間卻不僅限于單一脈沖。除了尺寸的限制以及人體工學(xué)的考慮外，這些相機(jī)模塊通常會(huì)集成在屏幕的后方或上方，以便使用者可以利用LCD作為抓取圖像的取景器，這在折疊式手機(jī)上特別常見。成像器件與鏡頭機(jī)構(gòu)可能還必須能夠旋轉(zhuǎn)，以便手機(jī)可以在視頻會(huì)議模式下作為面對(duì)面溝通的工具，這在3G網(wǎng)絡(luò)的電話設(shè)計(jì)上預(yù)計(jì)將更加普遍，因?yàn)橛凶銐虻膸捒梢赃\(yùn)用在視頻會(huì)議上。

　　在討論這些趨勢(shì)時(shí)我們可以明顯地看出，屏幕顯示的質(zhì)量與分辨率變得越來越高，同時(shí)尺寸也越來越大，特別是具備豐富多媒體功能的手機(jī)，預(yù)計(jì)未來將有越來越多的內(nèi)容，如流視頻或廣播視頻、互聯(lián)網(wǎng)瀏覽與電子郵件、拍照與相片查看，以及游戲和信息獲取服務(wù)等。因此，當(dāng)手機(jī)在沒有通話時(shí)屏幕使用將更為頻繁，但是如果手機(jī)的電池續(xù)航能力不夠，這些功能都將受到限制。因此，高效率的系統(tǒng)電源管理，包括屏幕與按鍵的背光電源管理就變得相當(dāng)重要，而諸如相機(jī)閃光燈等以往只有在高端手機(jī)中才能看到的功能也將逐漸成為標(biāo)準(zhǔn)配置。

　　這些也將對(duì)白光LED背光驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)帶來挑戰(zhàn)：更大的屏幕代表了有更多的區(qū)域需要背光，因此必須提升驅(qū)動(dòng)器件的整體效率;由于空間有限，所以必須在單一封裝中集成更多的功能;由于考慮的不僅是大小，厚度也必須縮減，特別是滑蓋與折疊式造型的產(chǎn)品。驅(qū)動(dòng)電路方案

　　手機(jī)中白光LED驅(qū)動(dòng)電路經(jīng)常使用兩種架構(gòu)：LED以串聯(lián)方式連接的電感升壓轉(zhuǎn)換電路;每顆LED都通過穩(wěn)定的電流源驅(qū)動(dòng)的電荷泵驅(qū)動(dòng)器。電感解決方案可以帶來最佳的整體效率，而電荷泵方式由于使用小型陶瓷電容作為能量轉(zhuǎn)換器件，因此體積最小。圖1和圖2分別給出了兩種驅(qū)動(dòng)架構(gòu)的典型應(yīng)用電路。當(dāng)前，功率LED的效率不斷地得到提高，降低了背光LED的功耗，因此可以用更少的LED提供更高的光輸出。這意味著兩、三年前需要4顆LED提供背光的1.5寸屏幕，現(xiàn)在只需兩顆功耗只有一半的LED就能夠得到相同的性能。

　　圖2：基于NCP5604A的電荷泵LED驅(qū)動(dòng)電路。

　　為了滿足這個(gè)需求，就需要一顆能夠驅(qū)動(dòng)兩個(gè)LED的新產(chǎn)品，并能以相當(dāng)?shù)偷碾娏髦С制聊槐彻獾牡凸拇龣C(jī)運(yùn)行。為了解決這個(gè)問題，NCP5602/12系列電荷泵LED驅(qū)動(dòng)器件設(shè)計(jì)成可以支持超低電流的ICON模式，同時(shí)能夠通過簡(jiǎn)單的單線式或傳統(tǒng)的I2C串行總線提供兩顆LED的普通背光功能。除了支持最新的輕薄封裝趨勢(shì)外，這些產(chǎn)品也在設(shè)計(jì)上采用新的極薄型LLGA微封裝技術(shù)(2×2×0.55mm)來支持超薄應(yīng)用。此外，部分改進(jìn)的LED材料與設(shè)計(jì)擁有更低的正向電壓(由3.6V降低到3.1V)，因此對(duì)電感解決方案來說，相同的功率可以驅(qū)動(dòng)更多的LED.而更復(fù)雜的LED驅(qū)動(dòng)器件，如NCP5604A/B就擁有更多的電壓轉(zhuǎn)換模式選擇，提供更優(yōu)化的功率轉(zhuǎn)換，同時(shí)集成電流源的功率耗損也更低，在手機(jī)電源所使用的鋰離子電池的大部分工作時(shí)間內(nèi)達(dá)到85%的轉(zhuǎn)換效率(PLED/Pin)。

　　LED閃光燈已經(jīng)成為照相手機(jī)必備的配置，為此安森美開發(fā)出了NCP5608多重模式電荷泵LED驅(qū)動(dòng)器，能夠驅(qū)動(dòng)4顆LED用于主屏幕與子屏幕的背光，以及可以提供用于驅(qū)動(dòng)1W功率LED的高達(dá)400mA的高電流輸出。這些功能在設(shè)計(jì)上共用一個(gè)高效率的電荷泵轉(zhuǎn)換電路，以便將外接電容的數(shù)目降到最低。

　　由于空間有限，特別是新型超薄直板手機(jī)以及翻蓋手機(jī)，因此這款器件采用4×4×0.75mm的QFN封裝。為了將控制驅(qū)動(dòng)器所需的連線數(shù)降到最低，該器件采用了兩線I2C數(shù)據(jù)總線作為控制配置接口。在驅(qū)動(dòng)閃光燈LED上提供有4個(gè)專用通道，讓引腳能夠以并聯(lián)方式驅(qū)動(dòng)一個(gè)高功率LED,或用來驅(qū)動(dòng)數(shù)個(gè)以較低電流工作的閃光燈LED.

　　LED 驅(qū)動(dòng)電路無法省略限流的裝置，限流裝置的阻抗越大，提供給LED驅(qū)動(dòng)電流的條件越好。但是此類元件應(yīng)具備自身承擔(dān)的分壓高，但功耗要小的特性，否則將使具有較高效率的LED 因?yàn)轵?qū)動(dòng)電路的工作功耗太大而使總體系統(tǒng)的效率大為降低，有悖于節(jié)能高效的宗旨。所以應(yīng)該采用電容、電感或有源開關(guān)電路等高效電路，取代電阻或串聯(lián)穩(wěn)壓電路來作為L(zhǎng)ED 驅(qū)動(dòng)器的限流主電路，這樣才能保證LED 系統(tǒng)的高效率。

　　應(yīng)用展望

　　當(dāng)許多新興的多媒體與數(shù)據(jù)服務(wù)變得越來越普遍，手機(jī)設(shè)計(jì)工程師也將持續(xù)面臨需要集成更多功能(例如更大的屏幕、百萬像素成像器件、視頻處理以及應(yīng)用協(xié)處理器等)的挑戰(zhàn)，同時(shí)還得滿足移動(dòng)手機(jī)用戶對(duì)待機(jī)與通話時(shí)間的要求，以及使用者對(duì)更長(zhǎng)的視頻播放、游戲與網(wǎng)絡(luò)瀏覽的期望，這些都將需要更長(zhǎng)的顯示屏使用時(shí)間。幸運(yùn)的是，高亮度LED效率以及創(chuàng)新性LED驅(qū)動(dòng)器件的改進(jìn)將能夠幫助設(shè)計(jì)工程師滿足這些需求，同時(shí)還能符合消費(fèi)者對(duì)重量與尺寸的期望。

　　目前手機(jī)彩屏背光主要采用白光LED(WLED)，WLED 驅(qū)動(dòng)器的功能就是要向WLED 提供恒定電流，減少電池電壓變化時(shí)所引起led 亮度的變化以及不同led 之間的亮度不匹配。這樣的WLED 驅(qū)動(dòng)器隨著時(shí)間的不同，不同的架構(gòu)先后在手機(jī)中得到了大規(guī)模的應(yīng)用。從2003~2005 年，在手機(jī)中流行使用的是電感升壓型WLED 驅(qū)動(dòng)器;2005~2007 年大規(guī)模使用的是分?jǐn)?shù)電荷泵型WLED 驅(qū)動(dòng)器;到2007 年初嶄露頭角、2008 年逐步流行的低壓降恒流型WLED 驅(qū)動(dòng)器，經(jīng)歷了一系列的發(fā)展歷程。