背光應(yīng)用LED電源管理方法

大多數(shù)便攜式電子設(shè)各的小尺寸彩色LCD顯示器都采用白光LED作為背光源。這些LED驅(qū)動電路由輸出電壓隨時(shí)間變化的電池供電。因此，最佳的LED驅(qū)動電路設(shè)計(jì)包括電池類型、LCD特性、系統(tǒng)功耗要求和效率、LED驅(qū)動器IC及其外部器件、PCB布局和器件布局、LED驅(qū)動器可能產(chǎn)生的噪聲，以及移動電話應(yīng)用中的RE抑制電路等內(nèi)容。
　目前使用最廣泛的電池是鋰離子電池。這種電池的滿電量電壓為4.2V，但當(dāng)電池放電時(shí)，電壓下降到3.2V，因此驅(qū)動器電路必須工作在這一輸入電壓范圍內(nèi)。LED輸人功率的變化會影響LED的亮度和效率。LED的光輸出與其電流成正比，因此為保持亮度不變，就需要專用驅(qū)動電路來控制LED陣列的每個(gè)LED，以使其保持恒定電流。當(dāng)設(shè)各工作在低溫條件下或者電池電壓很低時(shí)，也必須如此。

　　1．LED驅(qū)動IC

　　如何實(shí)現(xiàn)LCD平板顯示屏背光源驅(qū)動電路的高性能，是當(dāng)前便攜電子設(shè)備設(shè)計(jì)面臨的重要挑戰(zhàn)。在大多數(shù)背光設(shè)計(jì)中，白光LED沿LCD一側(cè)均勻間隔排列。LED的數(shù)量與LCD尺寸成正比。有些LCD已經(jīng)集成了以串聯(lián)或并聯(lián)方式連接的LED。一般情況下，較大尺寸的LCD要求采用串聯(lián)LED拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、某些情況下甚至要求多個(gè)LED串并聯(lián)。串聯(lián)配置有益于確保一行中的所有LED都保持相同電流，而使這些LED在整個(gè)面板上具有相同的亮度。串聯(lián)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的好處是驅(qū)動器與LCD的連線最少，這通常可以通過采用小尺寸、低成本的撓性PCB來實(shí)現(xiàn)。

　　用于背光的小尺寸白光LED一般在通過20mA電流時(shí)的正向電壓為3.4V。這些LED所要求的電壓可能比電池能提供的電壓高，因此必須對驅(qū)動器的輸入電壓進(jìn)行升壓。在LCD設(shè)計(jì)中提高LED的電壓有兩種方法：采用電荷泵拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)或電感升壓變換器。串聯(lián)拓?fù)渫ǔ２捎秒姼猩龎候?qū)動器，而并聯(lián)LED 拓?fù)鋭t上般采用分?jǐn)?shù)電荷泵。LCD配置和總體系統(tǒng)需求通常確定了是采用電荷泵還是電感升壓變換器。電荷泵往往更加容易實(shí)現(xiàn)，并且可以確保噪聲更低，而電感升壓變換器則具有更高的效率。采用電感升壓變換器驅(qū)動8個(gè)串聯(lián)的白光LED電路如圖1所示。

　　圖1 采用電感升壓轉(zhuǎn)換器驅(qū)動8個(gè)串聯(lián)的白光LED電路[!--empirenews.page--]

　　采用分?jǐn)?shù)電荷泵驅(qū)動3個(gè)并聯(lián)白光LED的電路如圖2所示。由于所要求的外部器件數(shù)很少，PCB占板面積也很小，因此電荷泵方案具有優(yōu)勢。1倍壓、1.5分?jǐn)?shù)倍壓電荷泵支持兩種工作模式，并能根據(jù)電池輸入電壓和LED正向電壓自動進(jìn)行模式選擇。一般情況下，當(dāng)電池電壓超過3．6y時(shí)，驅(qū)動電路工作在“1倍壓模式”，電源通過導(dǎo)通晶體管直接連接到輸出。這種線性模式的效率最高且噪聲最低。

　　圖2 采用分?jǐn)?shù)電荷泵驅(qū)動3個(gè)并聯(lián)白光LED的電路

　　3.6V時(shí)，驅(qū)動電路從1倍壓模式轉(zhuǎn)換到1.5倍壓模式，同時(shí)將輸出電壓5倍。分?jǐn)?shù)電荷泵采用具有兩個(gè)泵電容（見圖2中的C1和C2）的開關(guān)配置，這兩個(gè)電容將能量傳輸給負(fù)載。在模式切換期間，輸入電流增加到1.5倍，從而加快了電池放電的速度。如對于三個(gè)通過⒛mA電流的LED來說，1倍壓模式下的電源電流約為60mA，1.5倍壓模式下的電源電流則上升到90mA左右。

　　2．器件的選擇

　?、貺DO選擇。由于移動電話、PDA、數(shù)碼相機(jī)和視屏游戲機(jī)消費(fèi)產(chǎn)品都是以電池為電源的，隨著使用時(shí)間的增長，電源電壓會逐漸下降，故LCD驅(qū)動IC需要一個(gè)穩(wěn)定的工作電壓，因此設(shè)計(jì)電路時(shí)通常由－個(gè)LD0提供一個(gè)穩(wěn)定的2.8V或3.0V電壓。LCD將安裝在移動電話的上方，與移動電話的射頻靠得很近，為了防止干擾，必須選用低噪聲的LD0，如LP2985、AAT3215。

　　②白光LED。按背光源的設(shè)計(jì)要求，需要正向電壓（UF）和正向電流（IF）小、亮度高（500～1800mcd）的白光LED。以移動電話 LCD為例，目前都使用的是3～4個(gè)白光LED，隨著LED的亮度增加和移動電話制造商要求降低成本和功耗，LCD都會選用2個(gè)高亮度白光LED （1200～2000mcd），PDA和智能移動電話由于LCD屏較大會按需要使用4～8個(gè)白光LED。NACW215／NSCW335和EL99－21／215UCW／TR8是自帶反射鏡的白光LED，EL系列的亮度分為T、S、R三個(gè)等級，T為720～1000mcd，S為500～720mcd，都適用于移動電話LCD背光源的應(yīng)用。

　　3．LED驅(qū)動電路的設(shè)計(jì)

　　白光LED的驅(qū)動需要供給恒定的電壓或恒定的電流，而移動電話電源一開始工作后，其電壓就開始往下降，因而需要升壓變換器升壓、穩(wěn)壓。為了減少升壓器件的工作頻率對移動電話射頻電路的影響，一般選用由電容器傳遞電能的電荷泵。

　　電容式電荷泵的效率按其升壓方法分倍壓和分?jǐn)?shù)倍壓二種，倍壓電荷泵的效率約90％，分?jǐn)?shù)倍壓電荷泵的效率約93％～95％。而電感式升壓器的效率約83％～85％。電容式電荷泵按其輸出分為恒壓輸出、恒流輸出，按其對LED驅(qū)動的方法分為并聯(lián)恒壓驅(qū)動、單個(gè)恒流驅(qū)動和串聯(lián)恒流驅(qū)動。電感式升壓器都是恒流輸出，輸出電壓較高，且對LED串聯(lián)驅(qū)動。[!--empirenews.page--]

　　采用AAT3110倍壓升壓的電容式電荷泵驅(qū)動LED的應(yīng)用電路如圖3所示，電路為5V恒壓輸出，最大電流為120mA，采用并聯(lián)驅(qū)動LED電路結(jié)構(gòu)。

　　圖3 AAT3 110電荷泵的應(yīng)用電路

　　采用AAT3114驅(qū)動LED的應(yīng)用電路如圖4所示，電路有4～6路IF流輸出，每路能輸出20mA的電流，單個(gè)恒流驅(qū)動LED，具有32級調(diào)光功能。AAT3134將輸出DAC模塊分成二塊，其輸出可分別驅(qū)動雙屏顯示的LCD模塊。

　　圖4 A AAT3114電荷泵的應(yīng)用電路[!--empirenews.page--]

　　NCP5009是帶光敏傳感器的背光LED驅(qū)動升壓變換器，適用于自動調(diào)光的高檔移動電話LCD。NCP5009的應(yīng)用電路如圖5所示。NCP5007是可恒流驅(qū)動5個(gè)串聯(lián)LED、PWM調(diào)光的背光LED驅(qū)動升壓器，其應(yīng)用電路如圖6所示。

　　圖5 NCP5009的應(yīng)用電路 

       
　　 圖6 NCP5007的應(yīng)用電路

　　新型的電荷泵輸出端都內(nèi)置了MOSFET，可動態(tài)地調(diào)整負(fù)載內(nèi)阻，省去了為平衡由于LED內(nèi)阻不一致需要外加的勻流電阻。開關(guān)工作頻率高的電容式電荷泵，其所需的濾波電容器容量小，相對射頻干擾也小。

　　電容器最好選擇陶瓷電容器，因?yàn)樘沾呻娙萜鳠o極性并具有較低的等效串聯(lián)電阻（ESR），其典型值小于100mΩ。陶瓷電容器的等效串聯(lián)電阻值、電介質(zhì)材料的優(yōu)劣、電容值的大小對輸出紋波有重大影響。X7R電容器的電介質(zhì)是最好的，成本略高；X5R電容器的電介質(zhì)居中上，可以選用；Y5V的電介質(zhì)較差，不推薦選用。