背光LED驅(qū)動系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用分析

采用系統(tǒng)級方法為小型LCD中的LED背光供電是值得的。

發(fā)光二極管(LED)技術(shù)廣泛用于為小尺寸液晶顯示器中的像素提供照明( LCDs)在電池供電的應(yīng)用中。由LED發(fā)出的白光通過偏振器傳輸?shù)絃CD，在那里可以阻擋或衰減光，并將其發(fā)送到RGB濾色器以產(chǎn)生彩色光。

圖1：背光LED驅(qū)動系統(tǒng)。圖1顯示了背光LED驅(qū)動器的系統(tǒng)級視圖，該驅(qū)動器由DC/DC轉(zhuǎn)換器和一個(gè)或多個(gè)調(diào)節(jié)電流源組成。此外，基于RGB-LED的背光需要基于溫度的反饋控制，這相當(dāng)于比基于白光LED的背光更高的成本?？梢允褂枚嗌貾CB面積?需要什么功能?系統(tǒng)消耗多少電量?回答這些問題可以指導(dǎo)設(shè)計(jì)人員選擇合適的背光LED驅(qū)動器。

用于LED背光的DC/DC轉(zhuǎn)換器

在具有單節(jié)鋰離子源的便攜式應(yīng)用中，電壓降的總和白色，綠色或藍(lán)色LED和電流源可以低于或高于電池電壓。這意味著，雖然紅色LED可以直接由單節(jié)鋰離子電池供電，但白色，藍(lán)色或綠色LED需要電池電壓有時(shí)會提升。

選擇一個(gè)時(shí)要考慮的第一個(gè)方面用于電池供電應(yīng)用的LED驅(qū)動器是IC驅(qū)動器與外部組件共占的總面積(圖2)。

圖2：典型PCB布局示例：電荷泵(左)，電感升壓(右)。

兩種升壓技術(shù)被廣泛使用：升壓DC/DC轉(zhuǎn)換器，也稱為感應(yīng)升壓，以及開關(guān)電容轉(zhuǎn)換器，也稱為電荷泵。電荷泵實(shí)現(xiàn)僅需要四個(gè)陶瓷電容器和一個(gè)低功率電阻器，這通常會導(dǎo)致更小的解決方案尺寸。推薦用于這些應(yīng)用的電容值為0.47μF至1μF，額定電壓為10V(有助于直流偏置損耗)。這些電容器可以在許多電容器制造商的0402或0603外殼尺寸中找到?？?cè)芤撼叽缧∮?1mm 2 是相當(dāng)普遍的，并且還具有非常薄，小于1mm的優(yōu)點(diǎn)。根據(jù)LED驅(qū)動器封裝，電容器可以是解決方案中最高的元件與開關(guān)電容驅(qū)動器相比，基于電感升壓的LED驅(qū)動器往往具有更大的解決方案尺寸。基于電感升壓的LED驅(qū)動器的典型解決方案尺寸接近板面積的30mm 2 。電感式驅(qū)動器通常需要兩個(gè)電容，一個(gè)在輸入端，另一個(gè)在輸出端，電容值為1μF至2.2μF，可提供0603和0805外殼尺寸。電感升壓需要一個(gè)可以處理峰值電感電流和輸出電壓的整流元件。在同步升壓中，可以將通過PFET集成到IC中。但是，這種集成通常會導(dǎo)致IC封裝的大小超過異步解決方案。在集成的高壓PFET或肖特基二極管的存在下，功率轉(zhuǎn)換效率也降低約10%。在異步拓?fù)渲校瑐鬟f元件由肖特基二極管組成。與開關(guān)電容器升壓相比，電感升壓的主要區(qū)域增加是電感器本身。具有6-8個(gè)LED的電流為15mA至20mA的應(yīng)用通常需要一個(gè)10μF至22μH的電感器，飽和電流在0.4A至0.5A之間。這些電感器可以在小于3.0mm x 3.0mm的占地面積中找到。電感器也是解決方案中最高的元件，高度范圍為0.8mm至1.2mm。

提高電池電壓的最簡單方法是使用升壓型DC/DC轉(zhuǎn)換器(圖3)。該方法的優(yōu)點(diǎn)在于在所有負(fù)載和輸入電壓條件下具有非常高的效率，因?yàn)檩斎腚妷嚎梢陨叩絃ED正向電壓和電流源凈空電壓的總和。如前所述，這顯著優(yōu)化了成本和PCB面積的效率。

圖3顯示了磁性升壓調(diào)節(jié)器的工作原理。當(dāng)NFET開關(guān)閉合時(shí)(實(shí)線箭頭)，電感器電流iL(t)從t = t0處的最小值Ia向上斜升至t = t1處的最大值Ib。在此期間，肖特基二極管反向偏置，負(fù)載由存儲在輸出電容器中的能量支持。

在t = t1時(shí)，NFET開關(guān)關(guān)閉，存儲在電感器L中的能量現(xiàn)在傳遞到輸出電容器和通過肖特基二極管的負(fù)載(虛線箭頭)。因此，電感器電流在時(shí)間t2期間下降到先前的Ia值。輸出電壓必須大于輸入：如果此電壓關(guān)系不正確，則電感不會放電到輸出網(wǎng)絡(luò)。換句話說，當(dāng)NFET截止時(shí)，電感器兩端的電壓反轉(zhuǎn)，因?yàn)殡娏鞣烹姴粫⒓窗l(fā)生。由反向磁電壓增加的輸入電壓導(dǎo)致輸出電壓高于輸入電壓。當(dāng)串聯(lián)驅(qū)動10個(gè)LED時(shí)，所需的電源電壓可高達(dá)35V。升壓拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是簡化了PCB布線：驅(qū)動器和LED串之間只需要兩個(gè)連接。第二種提高電池電壓的方法是使用電荷泵(其簡單實(shí)現(xiàn)如下所示)圖4)，它利用了電容器的以下特性：電容器電荷累積不會瞬間發(fā)生，這意味著電容器兩端的初始電壓變化等于零。

圖3：LM3509，電感升壓LED驅(qū)動器。

電壓轉(zhuǎn)換分兩個(gè)階段完成。在第一階段期間，開關(guān)S1，S2和S3閉合，而開關(guān)S4-S8斷開。因此C1和C2堆疊，假設(shè)C1等于C2，充電到輸入電壓的一半：

輸出負(fù)載電流由輸出電容提供。當(dāng)該電容器放電并且輸出電壓低于所需的輸出電壓時(shí)，第二相被激活，以便將輸出電壓升高到該值以上。在第二階段期間，C1和C2并聯(lián)，連接在VIN和VOUT之間。開關(guān)S4-S7閉合，而開關(guān)S1-S3和S8斷開。由于電容上的電壓降不會瞬間改變，輸出電壓會跳躍到輸入電壓值的1.5倍：

圖4：充電具有1x和1.5x增益的泵電路以這種方式，完成升壓操作。開關(guān)信號的占空比通常為50%，因?yàn)樵撝低ǔa(chǎn)生最佳的電荷轉(zhuǎn)移效率。

通過閉合開關(guān)S8并使開關(guān)S1-S7斷開，可實(shí)現(xiàn)增益為1倍的電壓轉(zhuǎn)換。電荷泵方法的好處是沒有電感器。電感是EMI噪聲的，會影響顯示器或手機(jī)中的無線電性能。

電荷泵中的輸入功率和LED效率

在電荷泵LED驅(qū)動器中，輸出功率關(guān)系如此用于效率計(jì)算，假設(shè)所有LED都相同，由下式給出：

圖5顯示了典型的效率圖，其中步驟指示了增益轉(zhuǎn)換。

但是，對于給定的LED電流，正向電壓可隨工藝和溫度而變化。這意味著LED的效率可以變化，仍然保持亮度恒定，因?yàn)楹笳邇H取決于電流。為了清楚起見，讓我們考慮一個(gè)基于自適應(yīng)電荷泵的LED驅(qū)動電路。以下規(guī)格：

圖5：電荷泵LED效率。

不會影響電池的功耗，但會影響驅(qū)動電路的功耗。因此，效率不足以評估功耗：必須考慮的是輸入功率與LED亮度，即LED電流。對于給定的LED亮度，輸入功率是衡量從電池中排出多少電子的真實(shí)指標(biāo)。

在以前的條件下，增益為1.5倍，無論VLED如何，輸入功率都等于333mW。

由于電荷泵轉(zhuǎn)換器具有有限數(shù)量的電壓增益，因此基于應(yīng)用規(guī)范，總是存在驅(qū)動器電路中的一定量的浪費(fèi)功率。因此，為了使輸入功率最小化，以盡可能小的增益操作電荷泵是非常重要的。

恒流LED驅(qū)動器

LED特性決定了達(dá)到所需水平所需的正向電壓電流，決定發(fā)光量。由于LED電壓與電流特性的變化，僅控制LED兩端的電壓會導(dǎo)致光輸出的變化。因此，大多數(shù)LED驅(qū)動器都使用電流調(diào)節(jié)。

圖6：調(diào)節(jié)電流源。

實(shí)現(xiàn)電流調(diào)節(jié)的電路是低壓差穩(wěn)壓器，如圖6所示。誤差放大器獲取R2，V2兩端的電壓，將其與參考電壓VREF進(jìn)行比較，并通過串聯(lián)傳輸元件NFET將LED電流IDX調(diào)整為驅(qū)動誤差信號所需的值(VERR = VREF-V2)盡可能接近零。 VREF等于：

只有當(dāng)VOUT-VLED足夠高以保持傳輸元件不飽和時(shí)，才成立。事實(shí)上，電流源需要跨越它們的最小電壓，稱為凈空電壓VHR，以便通過LED提供所需的調(diào)節(jié)電流。凈空電壓通常用電阻建模：

亮度可以通過改變LED電流(模擬控制)直接控制，也可以通過快速關(guān)閉LED來間接控制亮度來創(chuàng)建對人眼調(diào)光的感知(PWM控制)。在大多數(shù)便攜式應(yīng)用中，模擬亮度控制是優(yōu)選的，因?yàn)楸彻饪刂破魍ǔ＿h(yuǎn)離LED驅(qū)動器。因此，必須將帶有PWM信號的PCB走線靠近噪聲敏感系統(tǒng)(如無線電發(fā)射器，揚(yáng)聲器或顯示器)，這可能會導(dǎo)致問題。最后，在需要優(yōu)質(zhì)色域的應(yīng)用中，紅色，綠色和藍(lán)色使用LED。紅色LED由InGaAlP制成，而藍(lán)色和綠色均由InGaN制成。當(dāng)環(huán)境溫度變化時(shí)，與藍(lán)色和綠色相比，紅色的主波長發(fā)生顯著變化，因此需要某種溫度補(bǔ)償反饋環(huán)路。 LP5520(圖7)通過使用內(nèi)部校準(zhǔn)存儲器調(diào)整RGB LED電流以獲得完美的白平衡(色彩精度ΔX和ΔY《0.003)，內(nèi)存校準(zhǔn)存儲器存儲LED的強(qiáng)度與溫度數(shù)據(jù)，以及外部溫度傳感器。

圖7：LP5520，背光RGB LED驅(qū)動器。