背光驅(qū)動電路的選擇策略和應(yīng)用
背光驅(qū)動的技術(shù)分析
LCD顯示屏自身并不發(fā)光,為了可以清楚的看到LCD顯示屏的內(nèi)容,需要一定的白光背光源。在中小尺寸LCD顯示屏中,一般采用白光LED作為顯示屏的背光源。白色LED背光電源由數(shù)個白光LED組成,如手機、數(shù)碼相機一般僅需要2到3個白光LED,而PDA和PMP則根據(jù)其顯示屏的面積,可能需要3到6個LED。對背光驅(qū)動電路的要求是:
滿足背光的亮度要求
整個顯示屏亮度均勻(不允許有某一部分較亮、另一部較暗的情況)
亮度可以方便地調(diào)節(jié)
驅(qū)動電路占PCB空間要小
工作效率高
綜合成本低
對系統(tǒng)其他模塊干擾小
根據(jù)應(yīng)用場合不同,系統(tǒng)設(shè)計者關(guān)注的重點可能會有所差別,例如對于低成本的產(chǎn)品方案中,可能會把整個驅(qū)動電路的成本放在第一位,對于手機的應(yīng)用中,白光驅(qū)動電路對其他模塊是否會產(chǎn)生EMI干擾則是要重點考慮的因素,而在MP3應(yīng)用中,又有可能對EMI干擾不太關(guān)心。
白光LED驅(qū)動器基本上有兩種驅(qū)動方式:一種是采用電感升壓式DC/DC升壓變換的原理來驅(qū)動,所有的LED串聯(lián)接在一起,一般也叫做串聯(lián)型驅(qū)動方式;另一種是采用升壓式電荷泵驅(qū)動電路,所產(chǎn)生的電壓一般在5V/4.5V或者是根據(jù)LED的正向?qū)妷憾赃m應(yīng)確定的一個電壓,所有的LED并聯(lián)在一起,一般也叫做并聯(lián)型驅(qū)動方式。
串聯(lián)驅(qū)動電路
從技術(shù)發(fā)展的角度看,串聯(lián)型驅(qū)動出現(xiàn)的比較早,技術(shù)上也比較成熟。 以啟攀微電子的CP2126為例,典型的串聯(lián)型驅(qū)動電路如圖一所示:
以CP2126為例,一般而言,采用串聯(lián)方式使流過每一個LED的電流都一樣,則發(fā)光的均勻性好;同時由于其升壓原理,所產(chǎn)生的電壓依賴于LED導(dǎo)通指定電流時所需要的電壓,反饋電壓CS內(nèi)部設(shè)定為95mV,可以計算出當(dāng)需要15mA的LED電流時,R1的值應(yīng)該為:R1=95mV/15mA=6.3ohm
無論是驅(qū)動2個LED還是多達5個LED,都可以通過改變R1的電阻值可以靈活的設(shè)定LED的亮度,在SHDN引腳施加一定占空比的PWM控制信號,可以使LED的亮度從不亮到滿亮度之間無級可變。
在CP2126的設(shè)計中注意了兩個問題:
1、避免了EMI的干擾問題
CP2126避免了一般的串聯(lián)型LED驅(qū)動電路中電感和大電流開關(guān)所產(chǎn)生的EMI干擾問題,對于例如MP3、PMP之類的應(yīng)用場合,這個問題可能影響不大,但是在手機應(yīng)用中,EMI干擾會造成手機的接收靈敏度變差。CP2126通過優(yōu)化了內(nèi)部電路的設(shè)計,避免了這個問題。下表對比了兩款串聯(lián)驅(qū)動芯片在相同的應(yīng)用情況下,對手機接收靈敏度的影響。
可以看到,CP2126的工作與否對手機接收靈敏度的指標(biāo)幾乎沒有影響,而芯片X在工作時,由于EMI的干擾造成了手機接收靈敏度的下降。同時,CP2126在輸入3.6V驅(qū)動3個白光LED的典型應(yīng)用情況下,可以達到83%的轉(zhuǎn)換效率。
PCB設(shè)計也會對電路性能有比較大的影響。一般而言高頻部分的走線應(yīng)該盡可能的短而粗,對地的過孔盡可能的大而多,在CP2126的相關(guān)資料中對此都有比較詳細的說明。
2、內(nèi)置輸出開路保護電路
在應(yīng)用中,有可能出現(xiàn)LED的開路故障情況,在這種情況下,由于CS引腳的反饋電壓始終為0,如果沒有保護電路,這種升壓型的電路就會一直升壓直到內(nèi)部的開關(guān)管被擊穿而損壞。所以,沒有內(nèi)置開路保護電路的芯片會要求外部增加一個Zener二極管,利用它的擊穿來保護內(nèi)部的開關(guān)管。保護電路如下:
顯而易見,這樣的保護電路又增加了系統(tǒng)的成本和PCB板的面積,另一種保護方式是增加一個引腳,采用如SOT23-6L的封裝,對VOUT的電壓采樣并進行檢測。CP2126的設(shè)計可以保證外圍應(yīng)用電路無須做任何改動,在LED開路的情況下芯片依然不被損壞,當(dāng)故障狀態(tài)解除后,芯片又可以正常工作。
并聯(lián)驅(qū)動
雖然串聯(lián)驅(qū)動電路具備了效率高的優(yōu)點,但是整體的解決方案需要一個電感和一個肖特基二極管,這又額外的增加了系統(tǒng)成本,使得最終的綜合成本和并聯(lián)相比,并不一定有優(yōu)勢。同時,貼片電感的體積較大,一般有5.2mm*5.2mm大小,同時還有可能產(chǎn)生EMI干擾。
固定模式并聯(lián)驅(qū)動電路
早期的并聯(lián)驅(qū)動電路只是解決了LED所需要的電壓問題,它把電池電壓統(tǒng)一通過電荷泵的方式升壓到5V或者4.5V的這樣一個固定的電壓,然后每一個LED通過串聯(lián)一定的電阻阻值來控制LED的電流。
電荷泵電路的一個基本缺點在于,在給定的輸出電壓要求情況下,隨著輸入電壓的變化,轉(zhuǎn)換效率變化很大,理論上,兩倍電荷泵電路所能達到的最高效率為:Eff=VOUT/(2*VIN)*100%
例如,當(dāng)VIN=3.1V,VOUT=5V時,效率可以達到83.3%,由于內(nèi)部器件的損耗,一般也可以達到80%以上。
但是,當(dāng)VIN=4.2V,VOUT=5V時,理論效率最高就只有59.5%。
從圖中可以看到,CP2128外圍元件只需要三個電容,根據(jù)驅(qū)動LED燈的數(shù)目的不同,需要1到5個電阻,和串聯(lián)驅(qū)動電路相比,雖然具有效率不高的缺點,但是外圍元件的成本和所占PCB面積都比較小,還可以說是相當(dāng)?shù)统杀镜囊粋€解決方案。
混和模式并聯(lián)驅(qū)動電路
為了能夠和串聯(lián)驅(qū)動相抗衡,并聯(lián)驅(qū)動電路要重點解決兩個問題:一個是效率,一個是電流匹配。為了提高效率,非常有必要引入新的工作模式。在這種情況下,驅(qū)動電路所產(chǎn)生的輸出電壓不再是一個固定值,而是一個適當(dāng)?shù)牟⑶铱梢则?qū)動LED的電壓值。一般來說,白光LED在工作電流為20mA時,正向?qū)妷阂话阍?.1~3.5V左右。鋰電池的額定電壓為3.6V或3.7V,充滿電后的電壓一般在4.2V~4.3V,鋰離子電池允許深度放電到2.7V,但是在實際應(yīng)用中,一般手機設(shè)置的強制關(guān)機電壓為3.6V左右(不同整機廠商設(shè)定的強制關(guān)機電壓可能不同)。在電池充滿電后,這個電壓足以直接驅(qū)動LED,在這種情況下,電荷泵電路不工作,電池的電壓通過一個開關(guān)直接到VOUT然后驅(qū)動LED。而隨著電池的放電,電池電壓會逐步降低,當(dāng)降低到一定的程度不足以直接驅(qū)動LED時,電荷泵電路開始工作。所以集成多種驅(qū)動模式成為背光驅(qū)動的主流解決方案,即所謂集成1倍模式和1.5倍模式,并且在盡可能的情況下,讓電路工作在1倍的直通模式下。啟攀新推出的CP2130/1/3,很好的解決了這兩個問題。其中CP2130可以最多驅(qū)動5個LED,CP2131可以最多驅(qū)動3個LED,CP2133可以最多驅(qū)動4個LED。
同樣,對于系統(tǒng)應(yīng)用而言,最關(guān)心的指標(biāo)仍是效率和LED電流匹配度。所謂效率,盡可能的工作在1倍模式能夠顯著提高整個電池工作電壓范圍的電源轉(zhuǎn)換效率。
1、效率
對于關(guān)注的效率問題,CP2130/1/3實現(xiàn)了兩種工作模式自適應(yīng)動態(tài)切換(即根據(jù)電池電壓和LED實際導(dǎo)通壓降判斷),而不是固定電壓點切換(即只考慮電池電壓),從而顯著提高了效率。只要電池電壓比LED的工作電壓高350mV至550mV(根據(jù)EN1和EN2的引腳設(shè)定不同而不同)時,CP2130/1/3就可以工作在相對效率較高的一倍模式下。
圖示為典型應(yīng)用情況下CP2130/1/3的工作效率??梢钥吹叫矢鶕?jù)工作模式的不同,是一個兩段的折線圖,80%的電池能量在3.6V~4.1V之間,在這個電壓范圍內(nèi)可以獲得平均80%以上的工作效率。
2、電流匹配度
和串聯(lián)驅(qū)動相比,并聯(lián)驅(qū)動要解決的一個重要問題就是各個LED間的電流匹配,由于LED的發(fā)光亮度是和它的工作電流相關(guān)的,不一樣的電流會導(dǎo)致顯示屏的亮度不均勻。對于并聯(lián)驅(qū)動的LED,在實際應(yīng)用中,LED由于批次的不同和個體差異,在同樣工作電流情況下的正向?qū)▔航挡煌?,可能會?0mV-200mV左右的電壓差值,這要求在設(shè)計內(nèi)部的電流控制電路時需要考慮到這個差異。CP2130/1/3采用申請了國家專利保護的Auto-Mirror技術(shù),可以使得各并聯(lián)白光LED電流匹配度幾乎不隨白光LED導(dǎo)通壓降的差別而變化。即使導(dǎo)通壓降差在50mV-200mV之間,LED的電流匹配度仍然可以達到2%以內(nèi)。
上圖是一種典型應(yīng)用情況,CP2130/1/3采用QFN 3mm*3mm 16引腳的封裝,同時外圍元件相當(dāng)簡單,只需要四個電容。
3、支持PWM調(diào)光
目前調(diào)光方式主要有兩種,一種是通過改變LED的直流工作電流的方式來調(diào)整亮度,例如,有的芯片通過設(shè)置內(nèi)部的寄存器來直接設(shè)置LED的直流工作電流,從而達到不同的亮度臺階,這種方式的缺點是可能會產(chǎn)生色移。所謂的白光LED,其實是利用一種作為其管芯的藍光LED所發(fā)出的短波長紫藍光,激發(fā)涂布于輸出光學(xué)透鏡內(nèi)壁的熒光材料,進而產(chǎn)生波譜較寬的白色復(fù)合光。在非額定電流工作情況下,LED所產(chǎn)生的光譜會有變化,導(dǎo)致最終的白光有色移。而另一種方式就是PWM調(diào)光,利用人眼的視覺暫停原理,以一定的頻率和占空比來周期性的控制白光LED的導(dǎo)通電流在零電流倒額定工作電流之間來回切換,從而調(diào)整亮度,這種調(diào)光方式就不會產(chǎn)生色移。在應(yīng)用時,為了確保人眼看不到LED周期亮滅的情況,PWM調(diào)光的頻率一般要大于100Hz,CP2130/1/3可以支持0~50KHz的調(diào)光頻率范圍,這樣大大方便了系統(tǒng)的設(shè)計。并且由于芯片優(yōu)越的環(huán)路控制特性,保證了調(diào)光過程的平穩(wěn),消除了可能潛在的噪聲干擾。
同時對于第一種調(diào)光方法,CP2130/1/3也設(shè)置了滿量程、2/3量程和1/3量程三個電流等級來實現(xiàn)直流調(diào)光方式。
總結(jié)
本文對比介紹了目前常用的兩種背光驅(qū)動解決方案,串聯(lián)驅(qū)動電路具備效率高的優(yōu)點,但是外圍元件比較多,而并聯(lián)驅(qū)動電路經(jīng)過不斷的發(fā)展,已經(jīng)由最初的單純的2倍電荷泵模式電壓控制型電路變成自適應(yīng)模式選擇加電流控制的電路。這樣的電路具備了外圍元件數(shù)目少,綜合成本低的優(yōu)點,同時也避免了串聯(lián)驅(qū)動電路通常所可能有的EMI干擾問題。目前,并聯(lián)驅(qū)動電路的方案已經(jīng)越來越多,逐步成為背光驅(qū)動電路的主流方案。