小型LCD背光的LED驅動電路設計考慮因素

過去幾年來，小型彩色LCD顯示屏已經被集成到范圍越來越寬廣的產品之中。彩色顯示屏曾被視為手機的豪華配置，但如今，即便在入門級手機中，彩屏已成為一項標配。幸好，手機產業(yè)的經濟規(guī)模性(全球手機年出貨量接近10億部)降低了LCD彩色顯示屏的成本，并使它們集成在無論是便攜醫(yī)療設備、通用娛樂遙控器、數(shù)字相框/圖像查看器、教育玩具，或是最新具有WiFi功能的VoIP無繩電話等其他產品中都具有吸引力。

　　彩色LCD顯示屏需要白色背光，以便用戶在任何光照環(huán)境下都能正常地觀看。這個背光子系統(tǒng)包括1個高亮度白光發(fā)光二極管(LED)陣列、1個擴散器(diffuser)以擴散光線和1個背光驅動器將可用電能穩(wěn)壓為恒定電流以驅動LED。一塊1到1.5英寸的顯示屏可能包含2到4個LED，而一塊3.5英寸顯示屏則可能輕易地就包含6到10個LED。對于LED而言，其光輸出與電流成正比，而且由于LED具有非常陡峭的電流-電壓(I-V)曲線，流過LED的電流緊密匹配是非常重要，這樣才能確保均衡背光，因為LED通常分布在LCD顯示屏的一邊。此外,也需要軟件控制讓用戶調節(jié)亮度，以及針對周圍光照環(huán)境作出補償。根據(jù)流經LED電流的不同，LED的色點(color point)可能會漂移。因此，將LED電流設定為固定值并對LED進行脈寬調制以降低平均光輸出就很普遍。要在手持產品設計中集成小型彩色LCD顯示屏并進而實現(xiàn)成本、性能和電池壽命的恰當平衡，存在著一系列需要考慮的因素。

　　電池供電產品需要優(yōu)化的LED驅動電路架構，這些架構要處理并存的多項挑戰(zhàn)，如空間受限、需要高能效，以及電池電壓變化―既可能比LED的正向電壓高，也可能低。常用的拓撲結構有兩種，分別是LED采用并聯(lián)配置的電荷泵架構/恒流源架構和LED采用串聯(lián)配置的電感升壓型架構。這兩種方案都有需要考慮的折衷因素，如升壓架構能夠確保所有LED所流經的電流大小相同但需要采用電感進行能量轉換，而電荷泵架構使用小型電容進行能量轉換，但所有LED并聯(lián)排列得太過緊密以致電流匹配成為均衡背光所面對的一項棘手問題。圖1展示了這兩種架構的示例。
　　　　　　　　　　


　　　　　　　　　　　

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　圖1：電荷泵和電感LED驅動器電路圖

　　設計時應做好以下幾點

1． 評估顯示屏的大概使用時間

　　選擇白光LED驅動器時，需要考慮到顯示屏的使用頻率。如果顯示屏會被長時間背光觀看，擁有高效率的轉換器對電池使用時間就顯得至關重要。較大的顯示屏需要較多的LED，而顯示屏使用時間較長的應用則會從能效更高的升壓型拓撲中受益。相反地，如果顯示屏僅用于短時間背光，那么效率就可能不是一項關鍵的設計參數(shù)。

2． 仔細考慮LED選擇

　　LED技術持續(xù)快速改進，制造商在使用新的材料、制造技術和LED設計來為同等大小的電流釋出更大的光輸出，這樣一來，幾年前需要4個LED進行背光的顯示屏如今可能采用2個LED就能實現(xiàn)同樣的背光亮度。不僅如此，過去通常使用冷陰極熒光燈(CCFL)進行背光的4到7英寸較大顯示屏，如今正在轉向使用LED進行背光。此外，LED的正向電壓正趨向更低。因此，不僅需要考慮驅動器制造商的數(shù)據(jù)表曲線上的驅動器效率，還需要基于采用所選LED對驅動器進行的評估來予以考慮。表1列舉了幾款LED的一些重要規(guī)范，顯示了這些LED 在正向電壓和發(fā)光亮度等方面的差別。需要說明的是，正向電壓范圍的變化較大，這意味著驅動器的效率應該采用LED規(guī)范的極限值來進行評估。
　　　　　　　　　　　　　　


　　　　　　　　　　　　　　　　　　　表：幾種不同的LED的特性參數(shù)

3. 注意布線

　　即使各個LED采用10到20mA的極低電流來驅動，流經轉換器的峰值電流也明顯高得多。這對于電感拓撲結構而言猶為如此，因為峰值開關電流可能是 LED平均電流的10到20倍。因此，需要使用適當?shù)牡蛽p耗布線技術。對電荷泵型拓撲結構而言，電容應該布置在鄰近驅動器的位置，使回路面積減至最小以避免輻射開關噪聲。對于電感升壓型轉換器而言，輸入和輸出電容以及電感應設在鄰近驅動器的位置。此外，電流設定電阻(Rfb)應該直接連接至芯片的接地，因為內部參考和檢測電壓之間的錯誤會直接影響LED電流精確度。

4. 在真實環(huán)境下測您的試產品

　　考慮顯示屏在外界高亮度光照條件下的表現(xiàn)，并確保軟件調光控制擁有足夠的動態(tài)范圍，從而在預期的光照環(huán)境下能夠充分地對顯示屏進行調光。

　　應該注意避免以下問題

1． 忘記考慮邊界和故障模式

　　錯誤總會發(fā)生，如果LED對地開路或短路，驅動器應該如何處理這個問題？對于電感升壓驅動器而言，如果LED串開路，輸出就會激增，因為恒定電流會對輸出電容進行充電，從而需要過壓保護，但這種功能可能會、也可能不會集成在驅動器中。這在工廠測試中可能會成為一個問題，因為顯示屏在某些測試步驟中可能還未被安裝。此外，評估產品開啟時的浪涌條件也很重要，因為此間大量的電流消耗可能將電池電壓降低到最低工作閾值之下。采用軟啟動和/或對不同電路模塊進行軟件排序就能夠將這個問題最小化。

2． 只盯著峰值效率

　　由于用戶可調節(jié)背光亮度，因此需要考慮顯示屏背光預計會在大多數(shù)工作時間內的驅動器效率。評估驅動器的效率時，需要考慮LED預計的工作條件、電池電壓范圍和正向電壓變化。電感型驅動器擁有更佳的峰值效率，對輸入和輸出電壓變化也有更大的容限。

3． 忽視外部元件選擇

　　在所有設計案例中，都應該考慮采用低的等效串聯(lián)電阻(ESR)X5R或X7R陶瓷電容使損耗降到最低。同樣在電感型案例中，(若有外部的)肖特基整流器的正向電壓降和電感的ESR會影響效率。舉例來說，使用帶有0.3Ω ESR的電感來以20mA電流驅動5個串聯(lián)的LED時，效率會比帶1.3Ω ESR的電感高5%。當然，這并不是沒有代價的，因為電感的ESR越低，提供相同電感值所對應的尺寸越大。所幸的是，如今也有許多新型的小尺寸電感器，它們容許LED驅動器置于顯示器的下面。