手把手教你如何設(shè)計(jì)白光 LED 驅(qū)動？

隨著科技的不斷發(fā)展，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)還得滿足移動手機(jī)用戶對待機(jī)與通話時(shí)間的要求，以及使用者對更長的視頻播放、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)者對重量與尺寸的期望。

繁華的城市離不開 LED 燈的裝飾，相信大家都見過 LED，它的身影已經(jīng)出現(xiàn)在了我們的生活的各個(gè)地方，也照亮著我們的生活。推動移動電話顯示由單色轉(zhuǎn)換為彩色的一個(gè)主要趨勢是拍攝功能的集成。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 等級進(jìn)展到 100 至 200 萬級像素，并快速朝向 300 萬像素以上的分辨率級邁進(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，甚至是自動對焦等。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)一步推動了集成閃光功能的需求。

1　LED 驅(qū)動設(shè)計(jì)的新要求

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。

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)可以在視頻會議模式下作為面對面溝通的工具，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)用在視頻會議上。

在討論這些趨勢時(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。

這些也將對白光 LED 背光驅(qū)動電路的設(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。

2　驅(qū)動電路方案

手機(jī)中白光 LED 驅(qū)動電路經(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)動的電荷泵驅(qū)動器。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。

為了滿足這個(gè)需求，就需要一顆能夠驅(qū)動兩個(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)，因此對電感解決方案來說，相同的功率可以驅(qū)動更多的 LED。而更復(fù)雜的 LED 驅(qū)動器件，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，安森美開發(fā)出的 NCP5608 多重模式電荷泵 LED 驅(qū)動器，能夠驅(qū)動 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 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)動一個(gè)高功率 LED，或用來驅(qū)動數(shù)個(gè)以較低電流工作的閃光燈 LED。

3　應(yīng)用展望

事實(shí)上，背光不僅可以應(yīng)用在屏幕與按鍵上，彩色 RGB(紅綠藍(lán))LED 還可根據(jù)音樂、來電鈴聲等提供一些好玩的效果以及個(gè)性化設(shè)定，例如通過最新的來電識別功能，利用 RGBLED 在視覺上提示用戶是誰打進(jìn)電話。我們可以發(fā)現(xiàn)，LED 已經(jīng)由簡單的背光功能演變成更多的功能。在按鍵上已經(jīng)開始加入邊緣發(fā)光器件來協(xié)助按鍵背光的平均分配，同時(shí)還能降低手機(jī)的整體厚度以及產(chǎn)生背光所需的 LED 數(shù)量。

未來，利用 LED 提供照明將在手機(jī)以及其他數(shù)字消費(fèi)電子產(chǎn)品上可以看到更多的創(chuàng)新型應(yīng)用。雖然 LED 在生活中處處可見，但是 LED 也還有一些不足需要我們的設(shè)計(jì)人員擁有更加專業(yè)的知識儲備，這樣才能設(shè)計(jì)出更加符合生活所需的產(chǎn)品。