移動電話與PDA應用中LED照明驅(qū)動電路的設計

LED如何改善移動電話與PDA中的燈光效果和性能

由于具備高照明效率、長效性與小體積，LED已成為便攜式設備，如移動電話與PDA等的必然選擇，約0.1W的低功耗白光LED目前正廣泛應用在LCD顯示面板的背光與鍵盤照明上，當然也可通過連接多顆LED帶來較高的亮度作為臨時照明或閃光燈等應用，而可達1W的高功率LED則應用在配備兩百萬像素，甚至更高分辨率的拍照手機中來支持黑暗環(huán)境中的拍照功能。除白光LED外，RGB(紅、綠、藍)光LED也經(jīng)常被用來強化移動電話的質(zhì)感，通過三種色彩精確適當?shù)鼗旌停琑GB LED可創(chuàng)造出豐富多樣的色彩。

在指示應用上，當有來電或信息時可以讓彩色LED閃爍，或利用色彩來顯示發(fā)話者的身份，例如自行定義的群組，如朋友、家人或業(yè)務往來的來電，這項功能不僅為移動電話帶來個性化，同時在非常吵雜的環(huán)境中也相當有用。為進一步強化使用者的影音感受，RGB LED也同時用來產(chǎn)生許多吸引人的發(fā)光效果，其中一個例子是將RGB的發(fā)光動作與響鈴的旋律或MP3音樂加以同步，另外一個RGB發(fā)光的有趣應用則是日本松下公司的“Feel Talk”功能，由于RGB LED被安排在移動電話的機殼下方，因此可以依使用者的心情顯示不同的色彩。

LED效能的改善和電氣特性

在大量資金投注LED開發(fā)后，白光LED的照明效率比起剛發(fā)明時有了大幅度的改善，目前市場上最佳的白光LED照明效率可以達到100lm/W，相當接近日光燈管，而一些領先公司也嘗試在藍光LED上使用不同的涂敷物質(zhì)，并推出更佳發(fā)光效率的設計方案，因此提供面板背光所需的LED數(shù)目將持續(xù)下滑，目前移動電話上標準LCD面板所需的背光LED大約為2~4顆，而PDA或智能型手機上LCD面板的背光則需要6~10顆。在進一步討論LED背光與閃光燈的驅(qū)動電路結構與新功能前，先回顧一下移動電話與PDA中廣泛使用的LED以及電池的電氣特性。

依不同制造商所采用技術的差異，LED的正向電壓(V_f)大約在2.7~4V之間，通常高功率LED擁有高達4.9V的較高正向電壓，因此LED驅(qū)動電路就必須提供足夠的正電壓以便讓LED以正向偏壓的方式發(fā)光。當采用多顆LED來提供背光時，在驅(qū)動電路設計上應考慮正向電壓間的差距，為了得到相同的照明強度，也就是讓不同的LED發(fā)出相同的色彩，設計工程師必須確保流經(jīng)每顆LED的正向電流能夠相同，低功率LED通常采用20mA的正向電流，最大約為25mA，目前市場上的高功率LED則能以高達1.5A的脈沖電流來驅(qū)動。

電池的電氣特性

目前移動電話與PDA中最常見的電池為鋰離子或者鋰高分子可充電電池，采用鋰材料的可充電電池額定電壓范圍是3.6V~3.7V，工作電壓則為4.2V~3.2V，為確保能夠安全工作，這類型的鋰電池只能夠在1C的范圍內(nèi)充電或放電，這里C由電池的額定容量所決定，例如1,000mAh的電池最高放電電流為1A，移動電話通常使用的電池容量大約在650~1,000mAh之間。為改善電池的效能，采用不同陰極材料的新型鋰離子電池已開始開發(fā)。在使用這類電池組時，設計工程師應該遵守電氣規(guī)格限制并據(jù)此調(diào)整驅(qū)動電路。

在使用最高正向電壓為3.4V～4V的LED時，由電池提供的輸入電壓必須等于或高于所需的驅(qū)動電壓，因此需要一個具有穩(wěn)定電流功能的升壓式轉換器來推動以串聯(lián)或并聯(lián)方式連接的LED。

電荷泵轉換器目前廣泛使用在LCD的背光驅(qū)動上，與采用電感式的升壓式轉換解決方案比較，電荷泵驅(qū)動電路由于具備較低的成本、較薄的厚度以及較低的噪聲特性而成為較佳的選擇，新推出的集成電路設計已經(jīng)逐漸改善電荷泵驅(qū)動電路的效率，目前最高效率可超過93%，而平均效率則約為80%。電荷泵驅(qū)動電路通常采1x與2x模式運作，部分設備中則加入了1.33x與1.5x模式來改善效率，在這類解決方案中，LED采用并聯(lián)方式連接，同時每個LED的電流由各自獨立的匹配電流源提供，最佳的驅(qū)動芯片在相同電路中任兩個LED電流間的匹配誤差約為0.2%。

在便攜式設備中，當按鍵盤或觸摸屏時所用的LED電流最高，而在幾秒鐘沒有動作后，為降低功耗LED電流將降低，控制LED電流的一個常見方式是采用PWM脈沖來驅(qū)動芯片的使能端，通過啟動與關閉芯片，其輸出電流為PWM信號占空比的平均值。對于新LED驅(qū)動芯片，由于采用單根(S-Wire)或兩根線的I²C接口，故只需用一或兩個I/O口，因而設計非常簡單。

漸進式亮度變化與情境式照明

漸進式亮度變化主要應用在便攜式設備啟動或關機時以創(chuàng)造劇場式的照明效果，在啟動時，背光電流會以預先設定的時間間隔以步進方式逐步放大到20mA，同樣在關機時采用相反的動作逐步降低，通過微處理器的幫助，可將具備不同頻率的PWM信號送到LED驅(qū)動電路的使能端來實現(xiàn)這樣的效果，以特定時間間隔將LED電流用多重步進的方式加大或降低，但這個方法的缺點是耗費實時處理器資源，在NCP5602與NCP5612這類的LED驅(qū)動芯片產(chǎn)品上就具有此功能，參考圖1。

圖1：典型的兩顆LED式電荷泵驅(qū)動器應用。(a) 采用I²C控制接口的LED驅(qū)動電路；(b) 采用單線式S-Wire控制接口的LED驅(qū)動電路。

這些驅(qū)動芯片需要兩個箝位電容，分別位于輸出與輸入端以及一個用來控制最高輸出電流的電阻(R1)，漸進式亮度變化控制指令則由處理器通過I²C或I/O口送到驅(qū)動芯片，指令本身應該包含起始與最終電流值以及亮度變化的時間間隔。

如果應用在RGB LED上時，這樣的功能就能夠用來產(chǎn)生情境式的照明效果，每個RGB LED都有32級亮度，像NCP5623這類的LED驅(qū)動芯片就可達到驚人的32,768種色彩變化，由于如此精細的亮度級差及內(nèi)嵌有對數(shù)算法，色彩的變化呈線性化且相當柔順，RGB LED驅(qū)動電路包含用來調(diào)整3顆LED輸出電流的獨立控制PWM電流源，以便產(chǎn)生所需的色彩輸出。

圖2：具備I²C控制接口的典型RGB LED驅(qū)動芯片應用。

由于每個電流輸出的時序與電流大小都可以獨立控制調(diào)整，因此我們就能夠使用白光或帶有色彩的LED，并利用不同的發(fā)光模式來實現(xiàn)豐富多彩的裝飾或指示，部分具備音頻輸入的電路還能夠讓彩色LED與內(nèi)部嵌入的MP3或和弦鈴聲的不同頻帶相同步。

ICON模式

您是否曾在黑暗中從移動電話上看時間，這時明亮背光與黑暗環(huán)境的強烈對比對眼睛來說相當不舒服，如果您在觀賞電影過程中覺得無聊來看時間，還可能會干擾隔壁的觀眾，這也就是為什么采用“ICON”模式，即在待機模式下以微小的電流在外部LCD面板上顯示時間或用戶定義的圖片。不過如果這必須通過PWM亮度控制來實現(xiàn)，那么處理器就得在整個待機模式下產(chǎn)生一個連續(xù)的低頻PWM信號，在NCP5602中，這個功能采用硬件方式實現(xiàn)，并且通過表1中的數(shù)字命令來加以啟動。

表1：NCP5602的I²C內(nèi)部寄存器位安排。

由處理器送到驅(qū)動芯片的數(shù)據(jù)字節(jié)中的B5代表的是ICON模式的狀態(tài)，當B5為LOW時，表示使用的是正常的背光模式，每個LED的電流可以在0mA～30mA之間調(diào)整，當B5為HIGH時，那么就會啟動ICON模式，并且只會將450μA的電流送到所連接的兩顆LED中的一個上，在這個器件中ICON模式的電流值為固定值，但在類似NCP5612的產(chǎn)品上，這個電流則可以通過單線式通訊協(xié)議來加以控制，圖3顯示了通過I²C通訊協(xié)議中SCL與SDA連接線的ICON控制程序。

圖3：ICON模式控制時的簡單SCL與SDA連接線上的數(shù)據(jù)順序。

線性穩(wěn)壓器/電流源解決方案

在使用具備約3.3V較低正向電壓的叢集式LED時，可選擇線性穩(wěn)壓器提供驅(qū)動電流，線性穩(wěn)壓器與開關轉換器比較，優(yōu)勢在于較低成本及較低電磁干擾，因線性穩(wěn)壓器只需在驅(qū)動芯片的外圍加入幾顆電阻，且無需使用開關器件，但這類解決方案的缺點是降低了電池電壓工作范圍，圖4顯示使用NUD4301低壓降線性穩(wěn)壓器做為兩顆LED驅(qū)動電路的情況，依標準0.2V壓降及3.3V的LED正向電壓考慮，穩(wěn)壓器將在電池電壓低于3.5V時離開穩(wěn)壓模式進入飽和模式，這將造成穩(wěn)壓器輸出電流大幅下滑且LED亮度變暗。但若最低電池電壓在可接受范圍，則線性穩(wěn)壓器還是小型LCD面板最具成本效益的背光解決方案。

圖4：采用線性穩(wěn)壓器NUD4301做為推動小型LCD面板背光的兩顆LED驅(qū)動電路。

移動電話上的臨時照明應用

移動電話所提供的LED照明功能普遍被認為是相當精妙的設計，由許多手電筒現(xiàn)在都由數(shù)顆低功率LED組成，并通過相對較低的20mA到60mA電流驅(qū)動的趨勢可看出。這類照明可做為便攜式手電筒，但它微弱的照明強度對支持黑暗環(huán)境下的拍照動作卻顯不足，事實上必須要有一個或更多高功率LED才能支持1米或更遠的物體拍攝照明，阻礙工程師采用高功率LED的主要原因還是成本問題，但在臺灣地區(qū)與韓國制造商逐漸提高功率LED的產(chǎn)能后，預料單價將會開始下降。

高功率閃光燈用LED

在照明與閃光模式下通常使用不同的電流與驅(qū)動時間，例如在照明模式下可以使用200mA的連續(xù)電流，而在閃光模式下則采用400mA到1A的脈沖電流，閃光脈沖的時間長短依相機模塊的特性而定，通常閃光脈沖的寬度介于20ms到200ms之間，閃光驅(qū)動電路能支持閃光LED大約1A的驅(qū)動電流，提供LED高達4.9W的輸出，為讓LED的結溫維持在最高可容的范圍，必須用良好的溫度管理策略，將脈沖寬度縮小有助降低不必要的消耗，而較大的接地面積也是將熱量從LED導出的一個推薦方法。

單顆高功率閃光燈驅(qū)動電路

升壓式轉換器是支持高功率LED中最高達4.9V正向電壓的必備條件，但是就算是相同的LED芯片，正向電壓在不同條件下也會不同。當LED升溫時，正向電壓可能會滑落到低于輸入電池電壓，因此就需要降壓式轉換器。技術上說，升降壓轉換器是推動單顆高功率LED最合適解決方案，但這類驅(qū)動芯片通常成本較高，同時需要配用提高總體成本與體積的外部電感。升降壓轉換器的優(yōu)點則在于較高的整體效率，主要原因是完全使用了電池的能量，同時能提供超過1A甚至更高的超高輸出電流。新推出的高電流電荷泵驅(qū)動電路是升降壓轉換器的一個低成本替代解決方案。但電荷泵轉換器的輸出電流最高大約在700mA，主要還是受到較低效率以及從電池吸取電流的限制。

集成型照明管理芯片

具備背光與閃光功能，部分甚至還具備RGB與其它影音功能的集成型照明管理芯片(LMIC)目前已經(jīng)面市，它包含可采用電荷泵或電感式設計的升壓轉換器。每個輸出則由可調(diào)式電流源提供，這樣的解決方案在翻蓋式或滑蓋式手機中特別有用，因為它免去了由電源管理單元拉到電話另一面所需的長路徑。NCP5608是一個可提供高達500mA的總電流，配備8個輸出的集成型電荷泵驅(qū)動芯片，它的輸出電流可由處理器通過I²C端口來調(diào)節(jié)，同時也能組成不同的LED配置來滿足各種平臺的需求。目前通過單線的數(shù)字控制已廣泛應用在獨立型背光LED驅(qū)動芯片上，不過這樣的控制協(xié)議對LMIC來說速度太慢且太復雜，原因在集成驅(qū)動電路中需采用各種不同的控制組合。相反，在LMIC上通常會使用具有時鐘與數(shù)據(jù)線的I²C或其它專用控制協(xié)議。

圖5：集成型LED驅(qū)動芯片提供了各種不同的LED組合變化，從4顆以25mA電流驅(qū)動的背光功能與4顆提供閃光燈用的100mA LED，一直到結合所有輸出來推動一個高功率LED的閃光燈應用。

圖6：具備內(nèi)部開關與時間限制保護的4.5W功率閃光燈驅(qū)動電路。

拍照手機中真正的閃光燈功能

市場上已出現(xiàn)300萬甚至更高像素的移動電話來支持高質(zhì)量的照相功能，為能讓LED提供與氙氣式閃光燈媲美的照明強度，可通過推動兩顆或更多的高功率LED作為閃光燈；具備4.5W高功率驅(qū)動能力的電感式升壓轉換器可以500mA的驅(qū)動電流推動兩顆串聯(lián)的LED。注意，在這類驅(qū)動電路中必須加入時間限制保護電路以避免LED長時間工作而損壞，同時驅(qū)動芯片中也應加入開關來改變照明與閃光應用時的電流大小。

本文小結

LED的批量供貨已經(jīng)讓移動電話與PDA上LCD面板背光用低功率LED的單價越來越低，新推出的背光驅(qū)動芯片也內(nèi)嵌步進式亮度控制以及不需任何軟件設計，同時也不耗費任何微處理器資源的情境照明控制功能，而這些LED驅(qū)動電路可以幫助便攜式產(chǎn)品制造商縮短開發(fā)時間。而在較低成本的解決方案上，則可以使用線性穩(wěn)壓器來推動正向電壓較低的LED。另一方面，市場上也出現(xiàn)幾種閃光燈驅(qū)動解決方案。分別為獨立型升降壓轉換器、高電流電荷泵驅(qū)動電路以及照明管理芯片。大部分的功率閃光燈可能包含幾個標準的LED或一顆高功率LED，目前拍照手機中高功率LED尚未普及的主要原因是單價較高。在部分高端移動電話中使用了兩顆LED以便提供較高亮度的閃光燈來強化拍照手機的拍照效果。在拍照手機逐漸取代數(shù)碼相機的趨勢下，更高功率的閃光燈解決方案將越來越普及，從而為用戶提供真正的拍照體驗。