基于低壓差線性LED驅(qū)動器的手機背光解決方案

對于串聯(lián)LED背光，需要根據(jù)串聯(lián)LED的個數(shù)，把鋰電池電壓升壓到不同的電壓。對于OLED背光，一般要求把鋰電池升壓到12V。這兩種應(yīng)用都需要升壓芯片進行背光驅(qū)動。Sipex公司的SP6690最多可以驅(qū)動8顆串聯(lián)的LED(圖1a)。目前升壓驅(qū)動芯片的效率在75%到85%之間，并且可以保證發(fā)光亮度一致，但要求使用一個儲能電感，因此會帶來一定的電磁干擾問題。

對于并聯(lián)LED背光應(yīng)用，Sipex公司的SP6683電荷泵最大可以輸出300mA驅(qū)動電流，以驅(qū)動到10顆并聯(lián)的LED(圖1b)。Sipex的電荷泵驅(qū)動芯片是恒流LED驅(qū)動，可以工作在1倍模式和1.5倍模式，在1倍模式下的最高效率可達92%，在1.5倍模式下的效率為60%~70%。電荷泵的工作原理是以很高的開關(guān)頻率對電容充放電來實現(xiàn)電能轉(zhuǎn)化，根據(jù)輸入電壓自動切換降壓和升壓模式，因此它無需外加電感，而是通過電容來存儲能量。

隨著LED技術(shù)不斷進步，LED導(dǎo)通壓降在不斷下降。Sipex公司低壓差線性LED驅(qū)動SP761x系列由于無需升壓，所以外圍電路非常簡單，不需要電感和電容，僅需一個電阻來設(shè)置LED流過的電流。如圖2a和圖2b所示的SP7611A和SP7612應(yīng)用電路，可分別驅(qū)動4顆LED和3顆LED，SP7614A則可以驅(qū)動2顆LED。

圖1：(a) SP6690的背光應(yīng)用電路圖；(b) SP6683的背光應(yīng)用電路圖。

下面以SP7611A為例，介紹低壓差線性LED驅(qū)動芯片SP761x系列的應(yīng)用。Sipex的低壓差線性LED驅(qū)動芯片與傳統(tǒng)LED驅(qū)動芯片不同，它們不需要對手機的聚合物鋰電池電壓進行升壓來點亮LED，而是一種基于降壓的恒流LED驅(qū)動芯片。如圖2a所示，SP7611A是灌電流的LED驅(qū)動芯片，流過LED的電流和設(shè)置電阻R_set上的電流成比例，同時流過LED上的電流還和LED正向?qū)▔航礦_f以及LED的陰極電壓有關(guān)。因此，Sipex低壓差線性LED驅(qū)動器應(yīng)用的一個重要條件就是LED的導(dǎo)通壓降不可以太高，一般推薦使用導(dǎo)通壓降小于或者等于3.2V的LED。

SP761x系列的最大優(yōu)點在于應(yīng)用簡單，外圍電路只需一個用來設(shè)置電流的電阻。當(dāng)LED陰極到地的電壓V_LED≤300mV時，流過LED的電流為：

I_LED＝200(V_CONTROL－VCTRL)／R_set

圖2：(a) SP7611A的背光應(yīng)用電路圖；(b) SP7612/12A的背光應(yīng)用電路圖；(c) 通過兩個GPIO端口和兩個電阻調(diào)節(jié)背光亮度的示意圖。

當(dāng)LED陰極到地的電壓V_LED≥500mV時，流過LED的電流為：

I_LED＝435(V_CONTROL－VCTRL)／R_set

其中200、435是電流的放大倍數(shù)。從此可看出，LED電流等于流過R_set的電流乘以一個放大倍數(shù)，而這個放大倍數(shù)與LED的導(dǎo)通壓降有關(guān)(如圖3所示)。

圖3：LED電流的放大倍數(shù)跟LED的導(dǎo)通壓降的關(guān)系曲線圖。

在手機背光應(yīng)用中需要調(diào)節(jié)亮度，SP761x系列的LED驅(qū)動器可以通過多種方式來調(diào)節(jié)亮度：

1. 模擬調(diào)節(jié)。如圖2a所示，可以調(diào)節(jié)給定電壓V_CONTROL或者電流設(shè)置電阻R_set的大小來調(diào)節(jié)LED電流，達到控制亮度的目的。

2. 數(shù)字調(diào)節(jié)。在電壓V_CONTROL和電流設(shè)置電阻給定的情況下，可以通過管腳CTRL輸入PWM信號來調(diào)節(jié)亮度。PWM信號可以通過手機平臺的GPIO口輸出，由軟件設(shè)置PWM的占空比以達到控制亮度的目的。這個PWM信號的最高頻率可達1MHz，但考慮到目前LED的響應(yīng)速度不會超過10kHz，所以推薦頻率為500Hz~1.5kHz。

表1：GPIO端口的設(shè)置表。

3. 通過兩個GPIO端口和兩個電阻，分成6個檔次來調(diào)節(jié)背光亮度，如圖3c所示。GPIO端口可以參照表1來設(shè)置，其中R1大于R2，具體阻值可以根據(jù)實際應(yīng)用情況來設(shè)置。

效率也是手機背光應(yīng)用中比較重要的一個參數(shù)。背光效率最準(zhǔn)確的算法應(yīng)該是用消耗在LED上的能量除以輸入能量。由于SP761x系列低壓差線性LED驅(qū)動芯片的工作漏電流非常小(uA級)，所以流過所有LED的輸出電流可以近似等于輸入電流，總體效率等于LED的導(dǎo)通壓降V_f與輸入電壓(即電池電壓V_battery)的比值。

Eff＝100V_f／V_battery

推薦LED的導(dǎo)通壓降小于或等于3.2V，取V_f=3.2V，則效率如表2所示。當(dāng)電池電壓小于3.6V時，整體背光效率高于90%；當(dāng)電池電壓為4.2V，最低效率也有76%。目前手機用鋰電池的工作范圍在3.4V到4.2V之間。

大約有20%的電池能量集中在4.2~4.0V之間，70%的能量集中在4.0~3.5V之間，剩余的10%左右的電池能量集中在3.5V電壓以下區(qū)間，因此電池電壓從4.0~3.5V區(qū)間的效率最重要。SP761x系列的效率為80%~91.4%，且電池電壓越接近LED的導(dǎo)通壓降，其效率越高。

與升壓驅(qū)動芯片和電荷泵芯片相比，低壓差線性LED驅(qū)動芯片SP761x系列的效率并不遜色，并且在電池電壓降低的情況下具有更好的性能。在電池電壓降低的情況下，SP761x系列的背光效率反而升高，而升壓驅(qū)動和電荷泵驅(qū)動芯片此時的背光效率將下降。雖然目前升壓驅(qū)動芯片和電荷泵驅(qū)動芯片可以達到90%以上的效率，但是整體背光效率在75%~85%之間，且需要電感或者電容等儲能元件。

低壓差線性LED驅(qū)動SP761x系列是共陽極的恒流LED驅(qū)動芯片，無須儲能元件，外圍簡單，僅需要一個電流設(shè)置電阻，就可以通過模擬或數(shù)字方式調(diào)節(jié)背光亮度。它最高具有90%以上的效率，整體背光效率可達85%左右。此外，Sipex針對低壓差線性LED驅(qū)動這個市場，將繼續(xù)推出共陰極的驅(qū)動芯片來豐富這個產(chǎn)品線。