負(fù)電荷泵白光LED驅(qū)動(dòng)器的設(shè)計(jì)

概述

當(dāng)前許多便攜式消費(fèi)類電子產(chǎn)品，例如手機(jī)、PDA、MP3播放器、筆記本等都帶有顯示屏，雖然不同的應(yīng)用對(duì)于顯示屏的種類以及大小會(huì)有所不同，但對(duì)于廣大設(shè)計(jì)人員來說，都需要為其設(shè)計(jì)背光電路。白光LED被認(rèn)為是小型手持設(shè)備彩色顯示器的理想背光源。

驅(qū)動(dòng)白光LED的最簡單方法是采用電壓源通過一個(gè)鎮(zhèn)流電阻驅(qū)動(dòng)LED（如圖1所示）。這種驅(qū)動(dòng)方式的優(yōu)點(diǎn)是選擇電壓源的余地很大，調(diào)節(jié)器與LED之間只需要一個(gè)連接端點(diǎn)。但缺點(diǎn)也同樣明顯：其一，效率低下，這主要是由于鎮(zhèn)流電阻的損耗造成的；其二，LED電流的穩(wěn)流能力差，控制不精確，由于溫漂以及LED的不匹配造成的LED正向電壓的變化，將使最終的LED電流產(chǎn)生較大變化，從而影響背光亮度的控制。

因此，理想的白光LED驅(qū)動(dòng)方式是采用恒流驅(qū)動(dòng)，它能避免白光LED由于溫漂造成的電流波動(dòng)，或者由于LED不匹配造成的亮度不均，可以產(chǎn)生一個(gè)可控的LED正向電流。此時(shí)驅(qū)動(dòng)器不需要輸出穩(wěn)定電壓，只需控制流過LED的電流恒定，即可實(shí)現(xiàn)可控的亮度控制。

常見拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)比較
LED的發(fā)光強(qiáng)度與流過LED的電流有關(guān)，電流越大，光強(qiáng)越高。常見數(shù)碼相機(jī)和蜂窩電話中一般需要2至3個(gè)LED作為背光，而PDA中則一般需要3至6個(gè)LED背光?？梢酝ㄟ^并聯(lián)或者串聯(lián)的方式驅(qū)動(dòng)LED，這兩種方式各有優(yōu)缺點(diǎn)：串聯(lián)方案中LED電流一致，電路控制簡單，但需要較高的驅(qū)動(dòng)電壓；并聯(lián)方案的電路較為簡單，所需的驅(qū)動(dòng)電壓也較低，但LED數(shù)目較多時(shí)，需要多個(gè)控制通道，同時(shí)電流的一致性也較差。

LED驅(qū)動(dòng)器從拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)上分，主要可以分為基于電感的DC/DC驅(qū)動(dòng)器以及基于電容的電荷泵驅(qū)動(dòng)器，當(dāng)然也有少數(shù)LED驅(qū)動(dòng)器采用線性穩(wěn)壓器的驅(qū)動(dòng)架構(gòu)。由于基于電感的驅(qū)動(dòng)器能夠提供比較寬范圍的輸出電壓，效率高，因此在很多設(shè)計(jì)中均采用基于電感的驅(qū)動(dòng)器結(jié)構(gòu)驅(qū)動(dòng)多個(gè)串聯(lián)LED。而基于電容的電荷泵驅(qū)動(dòng)器省去了所需的外部電感，具有體積小、設(shè)計(jì)簡單、成本低的特點(diǎn)，也比較受歡迎。由于基于電荷泵的LED驅(qū)動(dòng)器只能產(chǎn)生輸入電壓的倍數(shù)(如：1.5倍、2倍)，有限的驅(qū)動(dòng)電壓使基于電荷泵的LED驅(qū)動(dòng)器常用于并聯(lián)驅(qū)動(dòng)多個(gè)LED。至于采用線性穩(wěn)壓器的LED驅(qū)動(dòng)架構(gòu)，由于效率較低，并且只能工作于降壓條件下，因此應(yīng)用范圍較為受限，無法用于采用單節(jié)Li+電池供電的手持設(shè)備。本文主要討論基于電感的DC/DC驅(qū)動(dòng)器和基于電容的電荷泵驅(qū)動(dòng)器這兩種常見的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

為適應(yīng)便攜式產(chǎn)品的應(yīng)用需求，MAXIM提供了多種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的LED驅(qū)動(dòng)器，包括基于電感的LED驅(qū)動(dòng)器，以MAX1553-MAX1554為代表，還包括MAX1561、MAX1582等器件；以及基于電容的電荷泵驅(qū)動(dòng)器，以MAX1570為代表，其他產(chǎn)品還有MAX1575、MAX1576等。

MAX1553-MAX1554是一款高效、40V升壓轉(zhuǎn)換器，可用于驅(qū)動(dòng)2-10只串聯(lián)白光LED，為蜂窩電話、PDA和其它手持設(shè)備提供高效率的背光顯示。該升壓轉(zhuǎn)換器內(nèi)置40V、低RDSON的N溝道MOSFET開關(guān)，大大提高了轉(zhuǎn)換效率并有效延長電池壽命。該器件具有模擬/PWM兩種模式的亮度調(diào)節(jié)方法，獨(dú)立的使能輸入還可用于開/關(guān)控制。軟啟動(dòng)功能可以有效抑制啟動(dòng)過程的浪涌電流。器件還具有可調(diào)節(jié)的過壓保護(hù)電路，當(dāng)檢測(cè)到輸出過壓時(shí)，可關(guān)斷內(nèi)部MOSFET，從而降低輸出電壓。圖2為MAX1553典型工作電路。

MAX1570分?jǐn)?shù)型電荷泵能夠以恒定電流驅(qū)動(dòng)多達(dá)5只白色LED，來獲得均勻的亮度。MAX1570利用1倍/1.5倍分?jǐn)?shù)型電荷泵和低壓差電流調(diào)節(jié)器，在整個(gè)Li+電池供電電壓范圍內(nèi)保持最高的效率。MAX1570工作在1MHz固定頻率，允許選用小巧的外部元件。經(jīng)過優(yōu)化的電流調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)保證低EMI和低輸入紋波。器件可以利用一個(gè)外部電阻設(shè)置滿量程LED電流，兩個(gè)數(shù)字輸入控制開/關(guān)或選擇三級(jí)亮度中的一級(jí)。器件還可采用脈寬調(diào)制(PWM)信號(hào)調(diào)節(jié)LED的亮度。MAX1570典型工作電路見圖3。

從圖2和圖3中，可以看出基于電感的LED驅(qū)動(dòng)器與基于電容的電荷泵型LED驅(qū)動(dòng)器相比，電路結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜；功率電感的選取對(duì)電路性能的影響較大，對(duì)很多設(shè)計(jì)人員來說是一個(gè)難點(diǎn)；此外電感體積也較大，比較占用電路板空間?；陔娙莸碾姾杀眯蚅ED驅(qū)動(dòng)器僅需少數(shù)幾個(gè)電容，設(shè)計(jì)較為簡單，節(jié)省了電路板空間。然而，基于電感的LED驅(qū)動(dòng)器與電荷泵型LED驅(qū)動(dòng)器相比，在效率方面有較明顯的優(yōu)勢(shì)，MAX1553在LED工作電流范圍以內(nèi)基本可以保持80%左右的效率（見圖4a），且效率隨電流變化波動(dòng)較小，而MAX1570電荷泵型LED驅(qū)動(dòng)器的效率在LED的工作電流范圍內(nèi)有較大波動(dòng)，且輕載時(shí)的效率將低于80%（見圖4b）。

可見，基于電容的電荷泵型LED驅(qū)動(dòng)器雖然具有設(shè)計(jì)簡單，節(jié)省電路板空間等優(yōu)點(diǎn)，但它相對(duì)低的效率卻往往限制了器件的運(yùn)用，尤其對(duì)于效率敏感的應(yīng)用，例如手持設(shè)備中的手機(jī)、PDA等產(chǎn)品，人們往往希望電池有足夠長的供電時(shí)間。針對(duì)這一需求，MAXIM推出了新型負(fù)電荷泵LED驅(qū)動(dòng)器，與傳統(tǒng)的正電荷泵LED驅(qū)動(dòng)器相比，該器件的效率提高了12%，大大降低了驅(qū)動(dòng)方案的功耗。
高效率的新型負(fù)電荷泵LED驅(qū)動(dòng)器

MAX8647能以恒定電流驅(qū)動(dòng)6個(gè)白光LED或2組RBG LED，適合于顯示屏背光或娛樂照明等應(yīng)用。通過負(fù)電荷泵和自適應(yīng)超低壓差電流調(diào)節(jié)器，這些器件可在1節(jié)Li+電池的整個(gè)輸入電壓范圍內(nèi)、甚至在LED正向電壓存在較大失配時(shí)仍然保持極高的效率。圖5給出了MAX8647典型應(yīng)用電路圖及內(nèi)部原理框圖。

傳統(tǒng)正電荷泵型LED驅(qū)動(dòng)器的電荷泵位于輸入電源(通常是電池)與全部LED之間，當(dāng)輸入電源下降到一定的值，導(dǎo)致任意一個(gè)LED正向壓降不足時(shí)，正電荷泵打開，此時(shí)VF較低的那些LED將消耗更多的功率。以圖3中的LED5和LED6為例，假設(shè)LED5的正向壓降VF5 > VF6。當(dāng)VIN下降到低于VF5 + 0.15V（電流調(diào)節(jié)器正常穩(wěn)流的正向壓降），整個(gè)電荷泵將切換到1.5倍模式，使VOUT提高到VIN的1.5倍，保證LED5的完全導(dǎo)通，但由于傳統(tǒng)的正電荷泵架構(gòu)的電荷泵串聯(lián)于VIN和LED之間，無法動(dòng)態(tài)切換各路LED的輸出，那些VF較低的LED所對(duì)應(yīng)的調(diào)節(jié)器回路將消耗額外的功耗（例如LED6，其他路同理），從而降低了整個(gè)驅(qū)動(dòng)器的效率。

MAX8647這一新型負(fù)電荷泵消除了輸入電源與LED之間的線路阻抗，器件所具有的自適應(yīng)切換技術(shù)可對(duì)每個(gè)LED進(jìn)行動(dòng)態(tài)切換，對(duì)各路LED實(shí)現(xiàn)獨(dú)立的供電、調(diào)光和穩(wěn)流。當(dāng)某路LED正向壓降不夠時(shí)，器件內(nèi)部負(fù)電荷泵啟動(dòng)，將NEG的電壓穩(wěn)定到不超過VIN?5V的電壓上，同時(shí)獨(dú)立地將該路LED的電流回路從GND切換到NEG，而不是將全部LED的電流回路同時(shí)切換過來。例如，圖5中的LED5和LED6，同樣假設(shè)LED5的VF5 >VF6。當(dāng)VIN較高時(shí)，負(fù)電荷泵關(guān)閉。隨著能量的消耗，當(dāng)VIN降低到LED5上的正向壓降不足時(shí)，器件啟動(dòng)負(fù)電荷泵，LED5率先將LED的電流回路切換到NEG上，而LED6仍然保持原來狀態(tài)，從而使整個(gè)LED驅(qū)動(dòng)器的效率得到提高。這一獨(dú)特的拓?fù)浣Y(jié)果可顯著提高電池壽命，使效率提高大約12%。圖6顯示了MAX8647與傳統(tǒng)電荷泵型LED驅(qū)動(dòng)器效率的對(duì)比關(guān)系。

此外，MAX8647還帶有I2C串行接口，可進(jìn)行獨(dú)立的主屏或子屏背光開啟/關(guān)閉以及亮度控制；電流可在24mA至0.1mA范圍內(nèi)以偽對(duì)數(shù)形式分32級(jí)進(jìn)行設(shè)置；具有溫度降額功能，保證設(shè)定為24mA滿幅輸出電流時(shí)的安全，當(dāng)環(huán)境溫度高于+60℃時(shí)，器件以2.5%/℃降低電流，以保護(hù)LED。同時(shí)，該器件還提供了熱關(guān)斷功能（當(dāng)IC溫度超過160℃時(shí)關(guān)斷IC）以及開路和短路保護(hù)。

結(jié)束語

MAX8647負(fù)電荷泵白光LED驅(qū)動(dòng)器，在具備電荷泵型LED驅(qū)動(dòng)器所具有的小尺寸、設(shè)計(jì)簡單等共有優(yōu)點(diǎn)外，相對(duì)于正電荷泵LED驅(qū)動(dòng)器，效率提高了12%，它適用于各種效率敏感的手持設(shè)備，包括蜂窩電話、智能手機(jī)以及媒體播放器等。