手機與PDA應用LED照明驅(qū)動電路的設計方案

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

主要白光LED供應商

目前廣泛應用在可攜式設備LCD與鍵盤背光的白光LED,是由日商日亞（Nichia）化學公司于1996年推出，透過以淡黃色螢光物質(zhì)涂布在氮化鎵（GaN）與銦氮化鎵（InGaN）材質(zhì)的藍光LED上來達成白光的效果。另外，藍光與綠光LED的發(fā)展則擴展了LED色彩輸出的豐富度。

然而，在上世紀90年代末期，日本、美國與歐洲等地主要LED制造商間的多重專利侵權(quán)問題阻礙了新制造商進入這個市場的可能性。但幸運地是，這些法律訴訟逐漸透過相互授權(quán)協(xié)商獲得解決，部分制造商如Nichia、ToyodaGosei、Cree、PhilipsLumileds與OSRAM等更在當時確立了其領先地位。除此之外，數(shù)年前臺灣與南韓兩地的新進廠商開始崛起，并在過去2年逐漸嘗到了營業(yè)額高度增長的成果。

LED效能大幅提升

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(jié)構(gòu)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(shù)的差異，LED的正向電壓（Vf）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。

目前手機與PDA中最常見的電池型式為鋰離子或鋰高分子可充電電池，采用鋰材料的可充電電池標準電壓在3.6V到3.7V,工作電壓則為4.2V到3.2V,為了確保能夠安全運作，這類型的鋰材料電池只能夠在1C的范圍內(nèi)充電或放電，其中C為電池的規(guī)格容量，例如1,000安培小時（mAh）的電池最高放電電流為1A,手機通常使用的電池容量大約在650mAh到1000mAh之間。采用不同陰極材料的新型態(tài)鋰離子電池已經(jīng)進行開發(fā)以便改善電池的效能，在使用這類電池組時，設計工程師應該要遵守電氣規(guī)格上的限制并隨之調(diào)整驅(qū)動電路。

現(xiàn)在就讓我們進一步研究LED在LCD背光、裝飾光源與相機閃光燈中的應用。

LCD背光

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

充電泵/切換式電容轉(zhuǎn)換器充電泵轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換解決方案比較，充電泵驅(qū)動電路由于具備較低的成本、較薄的厚度以及較低的雜訊特性而成為較佳的選擇，新推出的積體電路設計已經(jīng)逐漸改善充電泵驅(qū)動電路的效率，目前最高效率可超過93%,平均則大約在80%.

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可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，背光電流會依照預先設定的時間間隔以步階方式逐步放大到20mA,同樣地，在關機時則采用相反的動作逐步降低，透過微處理器的幫助，可利用將具備不同頻率的PWM訊號送到LED驅(qū)動電路的啟動接腳來實現(xiàn)這種效果，以特定時間間隔將LED電流用多重步階的方式加大或降低，不過這個方法卻有耗費即時處理器資源的缺點，因此在如NCP5602與NCP5612等LED驅(qū)動晶片產(chǎn)品上就將這個功能內(nèi)建在晶片中（圖1）。

圖1：典型的2顆LED式充電泵驅(qū)動器應用

這些驅(qū)動晶片需要兩個飛馳電容、輸出與輸入電容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透過I2C連接埠或輸出入接腳送到驅(qū)動晶片，指令本身應該包含起始與最終電流大小以及亮度變化的時間間隔。

當應用在RGB LED上時，這樣的功能就能用來產(chǎn)生情境式的照明效果，藉由每個RGB LED各自擁有的32個明暗步階，像NCP5623這類的LED驅(qū)動晶片就可達到32,768種色彩變化，透過這種明暗步階以及內(nèi)建的對數(shù)演算法，可創(chuàng)造出對眼睛來說相當平順且線性化的色彩變化，RGBLED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，以產(chǎn)生所需的色彩輸出（見圖2）。

圖2：具備I2C控制介面的典型RGB LED驅(qū)動晶片應用

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，因此能使用白光或帶有色彩的LED來表現(xiàn)不同發(fā)光模式得到裝飾或指示用途的輸出，部分具備音訊輸入的電路還能讓彩色LED搭配內(nèi)部MP3或和弦鈴聲的不同頻帶同步動作。

ICON模式您是否曾經(jīng)嘗試在黑暗的環(huán)境中觀看手機的時間，這時明亮背光與黑暗環(huán)境間的強烈對比對眼睛來說相當不舒服，這也是為何會有'ICON模式'設計，可在待機模式下以微小的電流點亮外部LCD面板來顯示時間或特別定義的影像，不過如果這必須透過PWM明暗控制來達成，那么處理器就心須在整個待機模式下產(chǎn)生一個連續(xù)的低頻PWM訊號，在NCP5602中，這個功能采用硬體方式實現(xiàn)，并能透過如表1中的數(shù)位指令啟動。

表1：NCP5602的I2C內(nèi)部暫存器位元安排

由處理器送到驅(qū)動晶片資料位元組中的B5代表了ICON模式的狀態(tài)，當B5為LOW時，表示使用的是正常背光模式，每個LED的電流可以在0mA到最大30mA間調(diào)整，當B5為HIGH時，就會啟動ICON模式，且只會將450μA的電流送到所連接兩顆LED之一，在這個元件中ICON模式的電流值為固定值，但在類似元件NCP5612上，這個電流則可透過單線式通訊協(xié)議來控制，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連接線上的資料順序

線性穩(wěn)壓器/電流源方案在使用具備約3.3V較低前向電壓的叢集式LED時，可選擇線性穩(wěn)壓器來提供驅(qū)動電流。與切換式轉(zhuǎn)換器比較，線性穩(wěn)壓器具備較低成本及較低的電磁干擾，因為線性穩(wěn)壓器只需在驅(qū)動晶片的周邊加入幾顆電阻，同時無需使用切換式元件，但這類解決方案的缺點是較窄的有效電池電壓運作范圍，圖4顯示了使用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壓降以及3.3V的LED前向電壓考慮，穩(wěn)壓器將在電池電壓低于3.5V時離開穩(wěn)壓模式并進入飽和模式，這將造成穩(wěn)壓器輸出電流大幅下滑同時LED亮度開始變暗，不過如果最低電池電壓是在可接受的范圍，那么線性穩(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

行動照明應用

臨時照明手機所提供的LED照明功能普遍被認為是相當精妙的設計，這可以由許多手電筒現(xiàn)在都由數(shù)顆低功率LED組成，并透過20mA到60mA較低電流推動的趨勢看出，這類照明可做為可攜式手電筒，但它微弱的照明強度對支援黑暗環(huán)境下的攝影不足夠，事實上必須要有一個或更多的高功率LED才能支援1公尺或更遠的拍攝照明，阻礙工程師加入高功率LED的主要原因還是成本，目前量產(chǎn)的高功率LED主要仰賴全球5大制造商供應，不過在臺灣與韓國制造商的功率LED產(chǎn)能逐漸開出后，預料單價將開始下滑，同時驅(qū)動電路的成本也會隨量產(chǎn)而下降。

單顆高功率閃光燈驅(qū)動電路升壓式轉(zhuǎn)換器是支援高功率LED中最高達4.9V前向電壓的必備條件，但就算是相同的LED晶片，前向電壓在不同條件下也會有所不同，當LED溫度上升時，前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(zhuǎn)換器，技術(shù)上來說，升降壓轉(zhuǎn)換器是推動單顆高功率LED的最佳方案，不過這類驅(qū)動晶片通常成本較高，同時也需搭配會提高成本與體積的外部電感。升降壓轉(zhuǎn)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，同時能夠提供超過1A甚至更高的超高輸出電流，新推出的高電流充電泵驅(qū)動電路是升降壓轉(zhuǎn)換器的一種低成本替代方案，不過充電泵轉(zhuǎn)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能夠由電池所提取的最大電流限制。

整合型照明管理晶片具備背光與閃光功能，部分甚至還具備RGB與其他影音功能的整合型照明管理晶片(LMIC)目前已出現(xiàn)在市場上，它包含了可能采用充電泵或電感式設計的升壓轉(zhuǎn)換器，每個輸出則由可調(diào)式電流源提供，這種方案在掀蓋式或滑蓋式手機中特別有用，原因是它免除了由電源管理單元拉到電話另一面所需的長路徑。NCP5608是一個可以提供整體高達500mA電流，配備8個輸出的整合型充電泵驅(qū)動晶片，它的輸出電流可以由處理器透過I2C連接埠來加以調(diào)整，同時也能夠組成不同的LED組態(tài)來滿足各種平臺的需求，請參考圖5。

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(zhuǎn)換器來推動以串聯(lián)或并聯(lián)方式連接的LED.

電荷泵轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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%.

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

本文小結(jié)

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(zhuǎn)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。