白色發(fā)光二極管與紅綠藍(lán)發(fā)光二極管新型驅(qū)動(dòng)器的應(yīng)用

1、前言

越來越多移動(dòng)電話、便攜式媒體播放機(jī)、電子游戲機(jī)以及導(dǎo)航系統(tǒng)等便攜式電子消費(fèi)產(chǎn)品采用紅綠藍(lán)(RGB)彩色或白色發(fā)光二極管二類，用作指示燈，例如，利用紅綠藍(lán)光發(fā)光二極管發(fā)光的指示燈會(huì)根據(jù)不同事件如短信服務(wù)(SMS)或來電，發(fā)出不同顏色的燈光。驅(qū)動(dòng)這些發(fā)光二極管的方法有很多，如可以利用發(fā)光二極管驅(qū)動(dòng)器、電源管理單元或先進(jìn)燈光管理單元的通用輸入／輸出引腳。

歷來，該二類發(fā)光二極管主要用于便攜式電子產(chǎn)品，如手機(jī)方面，除了可為小鍵盤提供背光之外，也可用作手機(jī)的裝飾燈，使手機(jī)更美觀。此外，該發(fā)光二極管也可為顯示器提供背光。其移動(dòng)電話采用相當(dāng)多紅綠藍(lán)光發(fā)光二極管，而且數(shù)目不斷增加，為此對(duì)發(fā)光二極管的驅(qū)動(dòng)器技術(shù)提出了更高的要求。也就是說，若要為便攜式電子產(chǎn)品的彩色發(fā)光二極管或白色發(fā)光二極管提供足夠的驅(qū)動(dòng)電流，就要解決功耗、控制接口／可設(shè)定能力、電磁干擾、方案體積以及系統(tǒng)成本等問題。

為此，本文將對(duì)便攜式電子產(chǎn)品的白色發(fā)光二極管與RGB發(fā)光二極管驅(qū)動(dòng)器的兩個(gè)主要功能加以研討，即為指示燈及裝飾燈提供光源和為顯示器提供背光的兩個(gè)功能。

2、對(duì)驅(qū)動(dòng)器技術(shù)提出了更高的要求

新一代的發(fā)光二極管驅(qū)動(dòng)器應(yīng)有更先進(jìn)的技術(shù)來提高效率。

那先進(jìn)的技術(shù)要求是什么？那就是LED顯示驅(qū)動(dòng)器應(yīng)簡化軟件、加速開發(fā)、節(jié)省功率，直接與微處理器接口，并具有集成的多工引擎、數(shù)字亮度控制、閃爍控制和字模，又可替您省掉一個(gè)獨(dú)立的面板微控制器。

以往，工程師都利用簡單的電流接收器或通用輸入／輸出引腳驅(qū)動(dòng)指示燈的發(fā)光二極管。這種驅(qū)動(dòng)方法的效果并不十分理想，因?yàn)槊看螁?dòng)發(fā)光二極管時(shí)，都要由應(yīng)用處理器加以控制。以接收短信為例，每次收到短信，指示燈都要發(fā)出閃爍燈光， 因此指示燈每次發(fā)光時(shí)，都必須喚醒應(yīng)用處理器。這些燈光效果會(huì)耗用更多供電，令電池壽命無法延長。而當(dāng)今，移動(dòng)電話及大部分便攜式電子產(chǎn)品都要有足夠的電源才可支持各種新的功能。一般來說，便攜式產(chǎn)品的顯示器背光系統(tǒng)及發(fā)光二極管耗用較多供電，因此系統(tǒng)的總耗電量能否大幅降低，關(guān)鍵在于發(fā)光二極管的耗電量。為了滿足這個(gè)節(jié)能要求，當(dāng)然，大部分新一代的發(fā)光二極管驅(qū)動(dòng)器都引進(jìn)更先進(jìn)的技術(shù)來提高效率。

于是對(duì)于耗電量少、設(shè)計(jì)簡單的指示燈發(fā)光二極管驅(qū)動(dòng)器來說，將控制燈光閃爍的程序載入驅(qū)動(dòng)器，由程序而非應(yīng)用處理器控制閃爍過程是個(gè)較為理想的方法，其好處是處理器沒有工作時(shí)可以進(jìn)入睡眠模式，讓發(fā)光二極管驅(qū)動(dòng)器執(zhí)行閃爍功能。若一個(gè)低正向電壓彩色發(fā)光二極管只由一個(gè)簡單的開／關(guān)控制，便無需加設(shè)升壓直流／直流轉(zhuǎn)換器，有助于進(jìn)一步降低系統(tǒng)功耗。這樣便可將這類發(fā)光二極管驅(qū)動(dòng)器的體積縮至極小，而且只需添加極少或甚至完全不需添加外置元件。

3、白色發(fā)光二極管與彩色發(fā)光二極管新型驅(qū)動(dòng)器及其功能

3.1為節(jié)省更多耗電應(yīng)用可編程程序設(shè)定的燈光變幻模式

便攜式電子產(chǎn)品若加設(shè)燈光變幻模式控制功能，便可節(jié)省更多耗電。LP5522便是其中一款設(shè)有這個(gè)功能的發(fā)光二極管驅(qū)動(dòng)器。控制燈光閃爍功能的程序可以通過單線接口載入LP5522驅(qū)動(dòng)器之內(nèi)，只要設(shè)定正確的控制指令，驅(qū)動(dòng)器便可無需通過外部控制也可按照設(shè)定的閃爍模式反復(fù)啟動(dòng)發(fā)光二極管。發(fā)光二極管的電流可以通過外置電阻加以調(diào)節(jié)，但發(fā)光二極管本身的預(yù)沒電流則為5 mA。LP5522芯片的大小只有1.2mlmx0.8mmx 0.6mm發(fā)光二極管是其唯一的外置元件，因此這是一個(gè)體積小巧、物料成本較低的解決方案，最適用于小巧纖薄系統(tǒng)成本緊促的便攜式電子產(chǎn)品。

若發(fā)光二極管的正向電壓較高，單顆式鋰電池的電壓必足以驅(qū)動(dòng)多個(gè)發(fā)光二極管。以這一情況來說，驅(qū)動(dòng)器便必須加設(shè)升壓直流／直流轉(zhuǎn)換器。升壓轉(zhuǎn)換器有兩種，一種是采用電荷泵或開關(guān)電容器的電容式轉(zhuǎn)換器；另一種是電感式的磁性升壓轉(zhuǎn)換器。電荷泵轉(zhuǎn)換器大多用于低電壓的并行發(fā)光二極管驅(qū)動(dòng)器，而磁性升壓轉(zhuǎn)換器則大多適用于高電壓的串行發(fā)光二極管驅(qū)動(dòng)器。

燈光的變換模式較為復(fù)雜，例如不同顏色的燈光逐漸變?yōu)槠渌念伾阋硗獠捎酶冗M(jìn)的控制方法，以補(bǔ)允許控制引腳的不足。許多便攜式電子產(chǎn)品都采用

控制總線，好處是只需通過兩條導(dǎo)線，便可控制發(fā)光二極管驅(qū)動(dòng)器，使控制功能在執(zhí)行上有較大的靈活性。此外，一般的應(yīng)用還會(huì)加設(shè)其他的元件，例如相機(jī)模塊，而且這些元件都共用同一總線，因此，發(fā)光二極管驅(qū)動(dòng)器不可占用

接口的所有帶寬。發(fā)光二極管的亮度固然可以實(shí)時(shí)控制，但其中涉及復(fù)雜的工序，因此會(huì)占用較多

接口的帶寬。

應(yīng)用舉例：驅(qū)動(dòng)電流最大的

接口電荷泵，用于WLED為主屏、閃光燈和副屏／RGB燈提供最高610mA電流。

當(dāng)今，輸出功率最大的照明管理IC(LMIC)，采用

接口，能夠驅(qū)動(dòng)蜂窩電話的LED。該器件可用來驅(qū)動(dòng)主屏、副屏背光和照相機(jī)閃光燈WLED，具有出色的電流匹配精度。RGB LED控制提供32k種顏色，可實(shí)現(xiàn)平滑的顏色變化。電荷泵采用專有的自適應(yīng)l倍／1.5倍／2倍模式和低壓差電流調(diào)節(jié)器，可最多驅(qū)動(dòng)7個(gè)主屏和副J~LED，并獲得0.3％的電流匹配精度和高達(dá)92％的效率(整個(gè)電池壽命期間平均83％)。同時(shí)可為照相機(jī)閃光燈提供高達(dá)400mA電流，閃光燈可使用LED模塊或單個(gè)高亮度LED。

其應(yīng)用見圖1所示。最大的

接口電荷泵以MAXl707為例應(yīng)用見圖所示。

圖1

從圖可知：確保610mA輸出驅(qū)動(dòng)電流，通過

提供完全的可編程性，整個(gè)Li+電池工作壽命期間，可實(shí)現(xiàn)92％峰值(83％平均值)效率(PLED／PBATT)，±0.3％電流精度，軟啟動(dòng)限制浪涌電流，輸出過壓保護(hù)，熱降額功能保護(hù)LED，4mm X 4mm、24引腳下QFN。

3.2處理器進(jìn)入睡眠模式的應(yīng)用減少發(fā)光二極管驅(qū)動(dòng)器的功耗

如LP552l這類采用電荷泵的新一代彩色發(fā)光二極管驅(qū)動(dòng)器便利用內(nèi)置的存儲(chǔ)器控制整個(gè)燈光的變幻過程，因此無需經(jīng)常使用實(shí)時(shí)控制功能。LP552l為可編程、低功率、3通道，其功能應(yīng)用示意圖見圖2所示。

圖2

控制燈光的程序在通電后會(huì)寫入內(nèi)置的存儲(chǔ)器，而驅(qū)動(dòng)器可通過外置的觸發(fā)引腳或

寫入指令啟動(dòng)燈光控制程序。程序一旦啟動(dòng)之后，便無需處理器進(jìn)行控制。電話一旦采用待機(jī)模式，其處理器便可進(jìn)入睡眠模式，但驅(qū)動(dòng)器仍可執(zhí)行燈光控制程序，營造各種復(fù)雜的燈光效果，燈光程序可以控制燈光的時(shí)間延遲、漸強(qiáng)、閃爍、環(huán)回?zé)簟⒁约笆眨l(fā)觸發(fā)信號(hào)。

如何減少發(fā)光二極管驅(qū)動(dòng)器的功耗？

LP5521驅(qū)動(dòng)器還設(shè)有自動(dòng)節(jié)能操作模式，以便進(jìn)一步減少功耗。LP5521芯片內(nèi)置DC／DC轉(zhuǎn)換器，每當(dāng)鋰電池的供電電壓無法為發(fā)光二極管提供足夠的驅(qū)動(dòng)電流，這個(gè)內(nèi)置的轉(zhuǎn)換器便會(huì)立即啟動(dòng)。此外，每當(dāng)發(fā)光二極管處于閑置狀念而內(nèi)部控制程又正在運(yùn)行，LP5521驅(qū)動(dòng)器也會(huì)關(guān)閉其他閑置的區(qū)塊，這樣可大幅減少平均功耗。圖3為LP5521發(fā)光二極管驅(qū)動(dòng)器利用自動(dòng)節(jié)能模式操作時(shí)的操作情況示意圖。

圖3

像LP552l這類采用電荷泵的紅綠藍(lán)光發(fā)光二極管驅(qū)動(dòng)器只需另外加設(shè)4個(gè)小型的電容器。由于這款發(fā)光二極管驅(qū)動(dòng)器非常小巧，而且只需極少外置元件，因此整個(gè)方案的大小只有7平方毫米加上封裝極為纖薄，因此最適用于薄型的系統(tǒng)設(shè)計(jì)。此外，這款小巧的驅(qū)動(dòng)器可使系統(tǒng)采用局部性的布局，而不必采用中央統(tǒng)籌式的布局。換言之，發(fā)光二極管驅(qū)動(dòng)器可以裝設(shè)于靠近發(fā)光二極管的位置，好處是印制電路板的布線較為容易，而電磁于擾也叫可減少LP552l發(fā)光二極管驅(qū)動(dòng)器沒有外接的控制引腳，可確保幾顆驅(qū)動(dòng)器同步操作，以便營造各種趣致的燈光效果。

典型應(yīng)用舉例。驅(qū)動(dòng)RGB或白光LED的理想方案

驅(qū)動(dòng)RGB或白光LED的理想方案對(duì)便攜式應(yīng)用特別適用。直接由電池驅(qū)動(dòng)RGB或白光LED，節(jié)省系統(tǒng)成本微型3mmx 3mmTQFN封裝和低待機(jī)電流(典型值<1UA)。

MAX6966／MAX6967是驅(qū)動(dòng)RGB或白光LED的理想方案。各端口可提供精度高達(dá)1．5％的恒流驅(qū)動(dòng)，使得各LED的亮度高度匹配，并省去了外部限流電阻。這樣，現(xiàn)在LED就可直接由電池或電源管理IC驅(qū)動(dòng)。當(dāng)主處理器處于休眠模式時(shí)，通過一條自動(dòng)發(fā)出的硬件(或軟件)命令便可使所有LED漸強(qiáng)或漸暗。利用DouT引腳和CS線，多片MAX6966可級(jí)聯(lián)使用。此外，利用MAX6967的OSC輸入可以同步系統(tǒng)噪聲，可以用一個(gè)最高100kH2的PWM時(shí)鐘來取代內(nèi)部的32kHz振蕩器?？蛇x的PWM輸出相移能夠降低對(duì)于電源的峰值電流要求。可通過恒定電流和單獨(dú)咖位PWM控制亮度，低壓降輸出允許LED直接由電池驅(qū)動(dòng)。方案見圖4示意。

圖4

其方案主要優(yōu)點(diǎn)：可編程漸強(qiáng)和漸暗控制，每個(gè)端口都具有I／O能力，I／O支持熱插入，-40℃至+125℃溫度范圍，端口間電流匹配度1.5％，低待機(jī)電流(最大值<2A)，每個(gè)端口最允許20mA恒定電流，輸出可承受7V。

3.3應(yīng)用GPIO和

端口擴(kuò)展器便可驅(qū)動(dòng)便攜式產(chǎn)品的RGB、白光和背光LED

工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)GPIO/LED驅(qū)動(dòng)器，無需外部器件，便可驅(qū)動(dòng)RGB、白光和背光LED。采用額定工作溫度高達(dá)+125℃、并具有PWM控制功能的引腳兼容升級(jí)產(chǎn)品，可簡化設(shè)計(jì)。

由于GPIO和

端口擴(kuò)展器具有工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)出腳和更強(qiáng)的性能：如更低的工作電壓，集成的8位PWM控制，+125℃工作的能力，小至3mmx 3mmx 0.8mm的節(jié)省空間的TQFN封裝，以及寬廣的

從機(jī)ID選擇等等。端口擴(kuò)展器工作于400kH2快模式的

總線，以及100kHz的標(biāo)準(zhǔn)模式。另外，每個(gè)端口可吸收至少10mA，有些產(chǎn)品還具有高達(dá)75mA的吸收能力。I／O擴(kuò)展器或者具有

總線超時(shí)電路，或者具有

RST輸入，以便從

鎖定狀態(tài)中恢復(fù)工作。如今端口數(shù)從8到28。值此以MAX7316的I／O擴(kuò)展器為例作它應(yīng)用，見圖5示意。

圖5

3.4應(yīng)用RGB光發(fā)光二極管為小屏幕顯示器提供背光

為什么應(yīng)用RGB光發(fā)光二極管為小屏幕顯示器提供背光？

一般來說，幾只白光發(fā)光二極管便足以為小屏幕液晶顯示器提供背光。但白光發(fā)光二極管的缺點(diǎn)是它的光譜范同較為狹窄，以致拍攝出來的影片效果并不理想，原因是白光發(fā)光極管基本上屬于藍(lán)光發(fā)光二極管，但在頂層加設(shè)了一個(gè)黃色的磷光體，其光譜有兩個(gè)高峰，一個(gè)處藍(lán)光的光譜范圍內(nèi)?？梢圆捎貌噬珵V波器濾除部分有色光線，以便為有色晶格(紅、綠、藍(lán))提供相應(yīng)的光線。彩色濾波器本身會(huì)耗費(fèi)部分能源，而且即使彩色光線經(jīng)過濾波之后，穿過液晶顯示器的彩色光光譜效果也不十分理想。若采用白光發(fā)光二極管提供背光，便可為液晶顯示器提供符合NFSC色域規(guī)定的顏色，符合規(guī)定的顏色數(shù)日更高叢75%(傳統(tǒng)液晶顯示器在接近紅色波段的顏色尤其不甚鮮明亮麗)。若采用紅綠藍(lán)光發(fā)光二極管為液晶顯示器提供背光，便可將光線顏色調(diào)節(jié)，以致能百分百提供NTSC規(guī)定的所有顏色，這樣可確保色彩更亮麗，畫面更清晰細(xì)致。若采用特別設(shè)計(jì)的彩色濾波器，功耗會(huì)少于白光發(fā)光二極管的背光系統(tǒng)。

典型應(yīng)用-紅綠藍(lán)光發(fā)光二極可以利用高放效率的方法產(chǎn)生&ldquo;真正白色”的背光。

若采用紅綠藍(lán)光發(fā)光二極管提供背光，一旦發(fā)光二極管的溫度有變，發(fā)光二極管驅(qū)動(dòng)器便必須校正三原色(紅、綠、藍(lán))之間的亮度于衡。無論在任何溫度之下，發(fā)光二極管驅(qū)動(dòng)器都要將紅綠藍(lán)背光的白點(diǎn)準(zhǔn)確校正。補(bǔ)償方式有閉環(huán)或開環(huán)兩種可供選樣。若采用閉環(huán)的補(bǔ)償方式，可利用光學(xué)傳感器測量白點(diǎn)。若采用開環(huán)的補(bǔ)償方式，可以先量度溫度，然后根據(jù)測定的補(bǔ)償曲線校正白點(diǎn)。LP5520紅綠藍(lán)光發(fā)光二極管驅(qū)動(dòng)器可以利用開環(huán)式補(bǔ)償方法提供紅綠藍(lán)背光。圖6為LP5520紅綠藍(lán)光發(fā)光二極管驅(qū)動(dòng)器引腳功能應(yīng)用示意圖。
 

圖6

利用LP5520芯片控制顯示器亮度還是控制白光發(fā)光二極管背光系統(tǒng)的亮度：所采用的控制方都大致相同。實(shí)際亮度可通過SPI或

總線控制，而LP5520芯片則負(fù)責(zé)根據(jù)補(bǔ)償曲線計(jì)算真正的脈沖寬度調(diào)制(PWM)數(shù)值，以確保白點(diǎn)準(zhǔn)確。自動(dòng)淡入／淡出功能則負(fù)責(zé)調(diào)校光暗，確保漸變過程自然流暢。

4、實(shí)用的發(fā)光二極管驅(qū)動(dòng)器方案

僅需一只電感且無需電荷泵二極管就能為4小型TFT顯示器提供完整的LCD偏壓和白光LED背光電源，僅需一只電感且無需電荷泵二極管。

MAXl578／MAXl579具有四路穩(wěn)壓輸出，提供小型有源矩陣薄膜晶體管(TTFT)LCD所需的全部電壓，極適合于掌上設(shè)備，盡可能少的外部元件和高效率對(duì)于此類應(yīng)用非常重要。兩款器件均集成了三個(gè)先進(jìn)的電荷泵，提供固定的+5V、+15V和—10V，用于LCD偏置電路，另加一個(gè)34V的升壓DC-DC，用于驅(qū)動(dòng)最多8只串聯(lián)的白光LED。電荷泵只需外接陶瓷電容，不需要二極管。上電和斷電期間，所有輸出經(jīng)過了排序。關(guān)斷期間，輸出被切斷而且主動(dòng)放電至零。MAXl579具有溫度補(bǔ)償，以避免在較高溫度下過度驅(qū)動(dòng)LED。芯片結(jié)構(gòu)特征與應(yīng)用見圖7所示，是一個(gè)完整的TFT-LCD電源(偏置和白光)。

圖7

芯片內(nèi)四個(gè)調(diào)節(jié)器在一個(gè)封裝內(nèi)，緊湊的4mmx4mm薄型QFN封裝，零輸入浪涌電流軟啟動(dòng)，15mVP-P輸入紋波，白光LED輸出具有過壓保護(hù)。

LM3509雙輸出恒流發(fā)光二極管驅(qū)動(dòng)器可以發(fā)揮高達(dá)90％的效率 。LM3509產(chǎn)品特征為：32個(gè)按指數(shù)分隔的光暗變化狀態(tài)，發(fā)光二極管電流比率為800：1；自動(dòng)光暗控制功能確保能以下同速度從某一亮度逐漸轉(zhuǎn)為另一亮度；內(nèi)置有機(jī)發(fā)光二極(OLED)電源供應(yīng)；兩個(gè)獨(dú)立控制的恒流輔出，分別驅(qū)動(dòng)主及副顯示器；可為10個(gè)發(fā)光二極管分別提供30mA的事動(dòng)電流，并確保下同電流大小一致，相差不超過0. 15％；可同時(shí)為5個(gè)發(fā)光二極管分別提供20 mA的驅(qū)動(dòng)電流，也可為OLED提供21V的供電電壓及40 mA的供電電流； 兼容的可設(shè)定亮度控制。這是驅(qū)動(dòng)發(fā)光二極管的理想解決方案，最適用于移動(dòng)電話、數(shù)字相機(jī)以及導(dǎo)航系統(tǒng)顯示。

5、結(jié)束語

關(guān)于RGB與白光LED的成本比較。選擇RGB或白光LED作背光照明 源可能都滿足特定的最終產(chǎn)品需求。但是由于RGB LED較寬的色譜極大地提高了畫質(zhì)，因此使用RGBLED而不是白光LED是有道理的，因?yàn)橄M(fèi)者在決定購買哪種型號(hào)的LCD TV時(shí)，可能會(huì)因?yàn)樯术r明而愿意多付錢。不過，使用RGB LED時(shí)，解決方案尺寸更大、更復(fù)雜且更加昴貴。然而，如果在采用較寬色譜卻不允許最終產(chǎn)品提高價(jià)格的應(yīng)用中，用白光LED解決方案作背光照明源是一種可按受的選擇。

紅綠籃發(fā)光二極管可為手機(jī)及具他便攜式電子消費(fèi)產(chǎn)品提供千百種不同的燈光效果，令每—產(chǎn)品都有其獨(dú)特個(gè)性。但手機(jī)若不斷增添紅綠籃光發(fā)光二極管，而且燈光效果旦越趨復(fù)雜，發(fā)光二極管驅(qū)動(dòng)器便未必能完全滿足新功能的要求。最大的問題是哪一個(gè)發(fā)光二極管驅(qū)動(dòng)方案最有效率、最具成本效益、而且體積最小才可以滿足新一代便攜式電子產(chǎn)品的燈光需要，成為是最理想的燈光管理解決方案。