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背光驅(qū)動(dòng)電路的選擇策略和應(yīng)用

作者: 時(shí)間:2006-04-12 來源:網(wǎng)絡(luò) 收藏
  越來越多的便攜式消費(fèi)電子產(chǎn)品配備了彩色顯示屏,例如手機(jī)、數(shù)碼相機(jī)、PDA、MP3、PMP播放器等,其中手機(jī)又占據(jù)了這個(gè)市場(chǎng)的絕大部分份額,從而導(dǎo)致了這兩年來中小尺寸顯示屏產(chǎn)業(yè)鏈的飛速發(fā)展。根據(jù)的不同,顯示屏?xí)胁煌姆N類,例如TFT-LCD、CSTN-LCD以及OLED顯示屏,從市場(chǎng)的看,OLED顯示屏只是在折疊式手機(jī)的副屏以及MP3的市場(chǎng)上占有一定的份額,而市場(chǎng)的主流依然是TFT和CSTN,這兩種類型的LCD屏占據(jù)了現(xiàn)有的中小尺寸顯示屏出貨量的絕大部分。本文重點(diǎn)就中小尺寸的LCD顯示屏的解決方案作一個(gè)分析介紹。

  的技術(shù)分析

  LCD顯示屏自身并不發(fā)光,為了可以清楚的看到LCD顯示屏的內(nèi)容,需要一定的白光源。在中小尺寸LCD顯示屏中,一般采用白光LED作為顯示屏的背光源。白色LED背光電源由數(shù)個(gè)白光LED組成,如手機(jī)、數(shù)碼相機(jī)一般僅需要2到3個(gè)白光LED,而PDA和PMP則根據(jù)其顯示屏的面積,可能需要3到6個(gè)LED。對(duì)背光的要求是:

  滿足背光的亮度要求

  整個(gè)顯示屏亮度均勻(不允許有某一部分較亮、另一部較暗的情況)

  亮度可以方便地調(diào)節(jié)

  驅(qū)動(dòng)占PCB空間要小

  工作效率高

  綜合成本低

  對(duì)系統(tǒng)其他模塊干擾小

  根據(jù)場(chǎng)合不同,系統(tǒng)設(shè)計(jì)者關(guān)注的重點(diǎn)可能會(huì)有所差別,例如對(duì)于低成本的產(chǎn)品方案中,可能會(huì)把整個(gè)驅(qū)動(dòng)的成本放在第一位,對(duì)于手機(jī)的應(yīng)用中,白光驅(qū)動(dòng)電路對(duì)其他模塊是否會(huì)產(chǎn)生EMI干擾則是要重點(diǎn)考慮的因素,而在MP3應(yīng)用中,又有可能對(duì)EMI干擾不太關(guān)心。

  白光LED驅(qū)動(dòng)器基本上有兩種驅(qū)動(dòng)方式:一種是采用電感升壓式DC/DC升壓變換的原理來驅(qū)動(dòng),所有的LED串聯(lián)接在一起,一般也叫做串聯(lián)型驅(qū)動(dòng)方式;另一種是采用升壓式電荷泵驅(qū)動(dòng)電路,所產(chǎn)生的電壓一般在5V/4.5V或者是根據(jù)LED的正向?qū)妷憾赃m應(yīng)確定的一個(gè)電壓,所有的LED并聯(lián)在一起,一般也叫做并聯(lián)型驅(qū)動(dòng)方式。

  串聯(lián)驅(qū)動(dòng)電路

  從技術(shù)發(fā)展的角度看,串聯(lián)型驅(qū)動(dòng)出現(xiàn)的比較早,技術(shù)上也比較成熟。 以啟攀微電子的CP2126為例,典型的串聯(lián)型驅(qū)動(dòng)電路如圖一所示:

  

  以CP2126為例,一般而言,采用串聯(lián)方式使流過每一個(gè)LED的電流都一樣,則發(fā)光的均勻性好;同時(shí)由于其升壓原理,所產(chǎn)生的電壓依賴于LED導(dǎo)通指定電流時(shí)所需要的電壓,反饋電壓CS內(nèi)部設(shè)定為95mV,可以計(jì)算出當(dāng)需要15mA的LED電流時(shí),R1的值應(yīng)該為:R1=95mV/15mA=6.3ohm

  無論是驅(qū)動(dòng)2個(gè)LED還是多達(dá)5個(gè)LED,都可以通過改變R1的電阻值可以靈活的設(shè)定LED的亮度,在SHDN引腳施加一定占空比的PWM控制信號(hào),可以使LED的亮度從不亮到滿亮度之間無級(jí)可變。

  在CP2126的設(shè)計(jì)中注意了兩個(gè)問題:

  1、避免了EMI的干擾問題

  CP2126避免了一般的串聯(lián)型LED驅(qū)動(dòng)電路中電感和大電流開關(guān)所產(chǎn)生的EMI干擾問題,對(duì)于例如MP3、PMP之類的應(yīng)用場(chǎng)合,這個(gè)問題可能影響不大,但是在手機(jī)應(yīng)用中,EMI干擾會(huì)造成手機(jī)的接收靈敏度變差。CP2126通過優(yōu)化了內(nèi)部電路的設(shè)計(jì),避免了這個(gè)問題。下表對(duì)比了兩款串聯(lián)驅(qū)動(dòng)芯片在相同的應(yīng)用情況下,對(duì)手機(jī)接收靈敏度的影響。

  

  可以看到,CP2126的工作與否對(duì)手機(jī)接收靈敏度的指標(biāo)幾乎沒有影響,而芯片X在工作時(shí),由于EMI的干擾造成了手機(jī)接收靈敏度的下降。同時(shí),CP2126在輸入3.6V驅(qū)動(dòng)3個(gè)白光LED的典型應(yīng)用情況下,可以達(dá)到83%的轉(zhuǎn)換效率。

  PCB設(shè)計(jì)也會(huì)對(duì)電路性能有比較大的影響。一般而言高頻部分的走線應(yīng)該盡可能的短而粗,對(duì)地的過孔盡可能的大而多,在CP2126的相關(guān)資料中對(duì)此都有比較詳細(xì)的說明。

  2、內(nèi)置輸出開路保護(hù)電路

  在應(yīng)用中,有可能出現(xiàn)LED的開路故障情況,在這種情況下,由于CS引腳的反饋電壓始終為0,如果沒有保護(hù)電路,這種升壓型的電路就會(huì)一直升壓直到內(nèi)部的開關(guān)管被擊穿而損壞。所以,沒有內(nèi)置開路保護(hù)電路的芯片會(huì)要求外部增加一個(gè)Zener二極管,利用它的擊穿來保護(hù)內(nèi)部的開關(guān)管。保護(hù)電路如下:

  

  顯而易見,這樣的保護(hù)電路又增加了系統(tǒng)的成本和PCB板的面積,另一種保護(hù)方式是增加一個(gè)引腳,采用如SOT23-6L的封裝,對(duì)VOUT的電壓采樣并進(jìn)行檢測(cè)。CP2126的設(shè)計(jì)可以保證外圍應(yīng)用電路無須做任何改動(dòng),在LED開路的情況下芯片依然不被損壞,當(dāng)故障狀態(tài)解除后,芯片又可以正常工作。

  并聯(lián)驅(qū)動(dòng)

  雖然串聯(lián)驅(qū)動(dòng)電路具備了效率高的優(yōu)點(diǎn),但是整體的解決方案需要一個(gè)電感和一個(gè)肖特基二極管,這又額外的增加了系統(tǒng)成本,使得最終的綜合成本和并聯(lián)相比,并不一定有優(yōu)勢(shì)。同時(shí),貼片電感的體積較大,一般有5.2mm*5.2mm大小,同時(shí)還有可能產(chǎn)生EMI干擾。

  固定模式并聯(lián)驅(qū)動(dòng)電路

  早期的并聯(lián)驅(qū)動(dòng)電路只是解決了LED所需要的電壓問題,它把電池電壓統(tǒng)一通過電荷泵的方式升壓到5V或者4.5V的這樣一個(gè)固定的電壓,然后每一個(gè)LED通過串聯(lián)一定的電阻阻值來控制LED的電流。

  電荷泵電路的一個(gè)基本缺點(diǎn)在于,在給定的輸出電壓要求情況下,隨著輸入電壓的變化,轉(zhuǎn)換效率變化很大,理論上,兩倍電荷泵電路所能達(dá)到的最高效率為:Eff=VOUT/(2*VIN)*100%

  例如,當(dāng)VIN=3.1V,VOUT=5V時(shí),效率可以達(dá)到83.3%,由于內(nèi)部器件的損耗,一般也可以達(dá)到80%以上。

  但是,當(dāng)VIN=4.2V,VOUT=5V時(shí),理論效率最高就只有59.5%。

  

  從圖中可以看到,CP2128外圍元件只需要三個(gè)電容,根據(jù)驅(qū)動(dòng)LED燈的數(shù)目的不同,需要1到5個(gè)電阻,和串聯(lián)驅(qū)動(dòng)電路相比,雖然具有效率不高的缺點(diǎn),但是外圍元件的成本和所占PCB面積都比較小,還可以說是相當(dāng)?shù)统杀镜囊粋€(gè)解決方案。

  混和模式并聯(lián)驅(qū)動(dòng)電路

  為了能夠和串聯(lián)驅(qū)動(dòng)相抗衡,并聯(lián)驅(qū)動(dòng)電路要重點(diǎn)解決兩個(gè)問題:一個(gè)是效率,一個(gè)是電流匹配。為了提高效率,非常有必要引入新的工作模式。在這種情況下,驅(qū)動(dòng)電路所產(chǎn)生的輸出電壓不再是一個(gè)固定值,而是一個(gè)適當(dāng)?shù)牟⑶铱梢则?qū)動(dòng)LED的電壓值。一般來說,白光LED在工作電流為20mA時(shí),正向?qū)妷阂话阍?.1~3.5V左右。鋰電池的額定電壓為3.6V或3.7V,充滿電后的電壓一般在4.2V~4.3V,鋰離子電池允許深度放電到2.7V,但是在實(shí)際應(yīng)用中,一般手機(jī)設(shè)置的強(qiáng)制關(guān)機(jī)電壓為3.6V左右(不同整機(jī)廠商設(shè)定的強(qiáng)制關(guān)機(jī)電壓可能不同)。在電池充滿電后,這個(gè)電壓足以直接驅(qū)動(dòng)LED,在這種情況下,電荷泵電路不工作,電池的電壓通過一個(gè)開關(guān)直接到VOUT然后驅(qū)動(dòng)LED。而隨著電池的放電,電池電壓會(huì)逐步降低,當(dāng)降低到一定的程度不足以直接驅(qū)動(dòng)LED時(shí),電荷泵電路開始工作。所以集成多種驅(qū)動(dòng)模式成為背光驅(qū)動(dòng)的主流解決方案,即所謂集成1倍模式和1.5倍模式,并且在盡可能的情況下,讓電路工作在1倍的直通模式下。啟攀新推出的CP2130/1/3,很好的解決了這兩個(gè)問題。其中CP2130可以最多驅(qū)動(dòng)5個(gè)LED,CP2131可以最多驅(qū)動(dòng)3個(gè)LED,CP2133可以最多驅(qū)動(dòng)4個(gè)LED。
  
  

  同樣,對(duì)于系統(tǒng)應(yīng)用而言,最關(guān)心的指標(biāo)仍是效率和LED電流匹配度。所謂效率,盡可能的工作在1倍模式能夠顯著提高整個(gè)電池工作電壓范圍的電源轉(zhuǎn)換效率。

  1、效率

  對(duì)于關(guān)注的效率問題,CP2130/1/3實(shí)現(xiàn)了兩種工作模式自適應(yīng)動(dòng)態(tài)切換(即根據(jù)電池電壓和LED實(shí)際導(dǎo)通壓降判斷),而不是固定電壓點(diǎn)切換(即只考慮電池電壓),從而顯著提高了效率。只要電池電壓比LED的工作電壓高350mV至550mV(根據(jù)EN1和EN2的引腳設(shè)定不同而不同)時(shí),CP2130/1/3就可以工作在相對(duì)效率較高的一倍模式下。

  

  圖示為典型應(yīng)用情況下CP2130/1/3的工作效率??梢钥吹叫矢鶕?jù)工作模式的不同,是一個(gè)兩段的折線圖,80%的電池能量在3.6V~4.1V之間,在這個(gè)電壓范圍內(nèi)可以獲得平均80%以上的工作效率。

  2、電流匹配度

  和串聯(lián)驅(qū)動(dòng)相比,并聯(lián)驅(qū)動(dòng)要解決的一個(gè)重要問題就是各個(gè)LED間的電流匹配,由于LED的發(fā)光亮度是和它的工作電流相關(guān)的,不一樣的電流會(huì)導(dǎo)致顯示屏的亮度不均勻。對(duì)于并聯(lián)驅(qū)動(dòng)的LED,在實(shí)際應(yīng)用中,LED由于批次的不同和個(gè)體差異,在同樣工作電流情況下的正向?qū)▔航挡煌赡軙?huì)有50mV-200mV左右的電壓差值,這要求在設(shè)計(jì)內(nèi)部的電流控制電路時(shí)需要考慮到這個(gè)差異。CP2130/1/3采用申請(qǐng)了國家專利保護(hù)的Auto-Mirror技術(shù),可以使得各并聯(lián)白光LED電流匹配度幾乎不隨白光LED導(dǎo)通壓降的差別而變化。即使導(dǎo)通壓降差在50mV-200mV之間,LED的電流匹配度仍然可以達(dá)到2%以內(nèi)。

  

  上圖是一種典型應(yīng)用情況,CP2130/1/3采用QFN 3mm*3mm 16引腳的封裝,同時(shí)外圍元件相當(dāng)簡單,只需要四個(gè)電容。

  3、支持PWM調(diào)光

  目前調(diào)光方式主要有兩種,一種是通過改變LED的直流工作電流的方式來調(diào)整亮度,例如,有的芯片通過設(shè)置內(nèi)部的寄存器來直接設(shè)置LED的直流工作電流,從而達(dá)到不同的亮度臺(tái)階,這種方式的缺點(diǎn)是可能會(huì)產(chǎn)生色移。所謂的白光LED,其實(shí)是利用一種作為其管芯的藍(lán)光LED所發(fā)出的短波長紫藍(lán)光,激發(fā)涂布于輸出光學(xué)透鏡內(nèi)壁的熒光材料,進(jìn)而產(chǎn)生波譜較寬的白色復(fù)合光。在非額定電流工作情況下,LED所產(chǎn)生的光譜會(huì)有變化,導(dǎo)致最終的白光有色移。而另一種方式就是PWM調(diào)光,利用人眼的視覺暫停原理,以一定的頻率和占空比來周期性的控制白光LED的導(dǎo)通電流在零電流倒額定工作電流之間來回切換,從而調(diào)整亮度,這種調(diào)光方式就不會(huì)產(chǎn)生色移。在應(yīng)用時(shí),為了確保人眼看不到LED周期亮滅的情況,PWM調(diào)光的頻率一般要大于100Hz,CP2130/1/3可以支持0~50KHz的調(diào)光頻率范圍,這樣大大方便了系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。并且由于芯片優(yōu)越的環(huán)路控制特性,保證了調(diào)光過程的平穩(wěn),消除了可能潛在的噪聲干擾。

  同時(shí)對(duì)于第一種調(diào)光方法,CP2130/1/3也設(shè)置了滿量程、2/3量程和1/3量程三個(gè)電流等級(jí)來實(shí)現(xiàn)直流調(diào)光方式。

  總結(jié)

  本文對(duì)比介紹了目前常用的兩種背光驅(qū)動(dòng)解決方案,串聯(lián)驅(qū)動(dòng)電路具備效率高的優(yōu)點(diǎn),但是外圍元件比較多,而并聯(lián)驅(qū)動(dòng)電路經(jīng)過不斷的發(fā)展,已經(jīng)由最初的單純的2倍電荷泵模式電壓控制型電路變成自適應(yīng)模式加電流控制的電路。這樣的電路具備了外圍元件數(shù)目少,綜合成本低的優(yōu)點(diǎn),同時(shí)也避免了串聯(lián)驅(qū)動(dòng)電路通常所可能有的EMI干擾問題。目前,并聯(lián)驅(qū)動(dòng)電路的方案已經(jīng)越來越多,逐步成為背光驅(qū)動(dòng)電路的主流方案。

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