一種LED照明驅(qū)動(dòng)電路應(yīng)用設(shè)計(jì)

　　由于具備高照明效率、長(zhǎng)效性與小體積，LED已成為便攜式設(shè)備，如移動(dòng)電話與PDA等的必然選擇。在指示應(yīng)用上，當(dāng)有來電或信息時(shí)可以讓彩色LED閃爍，或利用色彩來顯示發(fā)話者的身份。為進(jìn)一步強(qiáng)化使用者的影音感受，RGB LED也同時(shí)用來產(chǎn)生許多吸引人的發(fā)光效果，其中一個(gè)例子是將RGB的發(fā)光動(dòng)作與響鈴的旋律或MP3音樂加以同步，另外一個(gè)RGB發(fā)光的有趣應(yīng)用則是日本松下公司的"Feel Talk"功能，由于RGB LED被安排在移動(dòng)電話的機(jī)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(yīng)商

　　目前廣泛應(yīng)用在可攜式設(shè)備LCD與鍵盤背光的白光LED,是由日商日亞（Nichia）化學(xué)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(lán)光LED上來達(dá)成白光的效果。另外，藍(lán)光與綠光LED的發(fā)展則擴(kuò)展了LED色彩輸出的豐富度。

　　然而，在上世紀(jì)90年代末期，日本、美國(guó)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(jìn)入這個(gè)市場(chǎng)的可能性。但幸運(yùn)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(dāng)時(shí)確立了其領(lǐng)先地位。除此之外，數(shù)年前臺(tái)灣與南韓兩地的新進(jìn)廠商開始崛起，并在過去2年逐漸嘗到了營(yíng)業(yè)額高度增長(zhǎng)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(shí)有了大幅度的改善，目前市場(chǎng)上最佳的白光LED照明效率可以達(dá)到100lm/W,相當(dāng)接近日光燈管，而一些領(lǐng)先公司也嘗試在藍(lán)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(shè)計(jì)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(dòng)電話上標(biāo)準(zhǔn)LCD面板所需的背光LED大約為2~4顆，而PDA或智能型手機(jī)上LCD面板的背光則需要6~10顆。在進(jìn)一步討論LED背光與閃光燈的驅(qū)動(dòng)電路結(jié)構(gòu)與新功能前，先回顧一下移動(dòng)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(dá)4.9V的較高正向電壓，因此LED驅(qū)動(dòng)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(dāng)采用多顆LED來提供背光時(shí)，在驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)上應(yīng)考慮正向電壓間的差距，為了得到相同的照明強(qiáng)度，也就是讓不同的LED發(fā)出相同的色彩，設(shè)計(jì)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(chǎng)上的高功率LED則能以高達(dá)1.5A的脈沖電流來驅(qū)動(dòng)。

　　目前手機(jī)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(biāo)準(zhǔn)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(yùn)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(shí)（mAh）的電池最高放電電流為1A,手機(jī)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(jìn)行開發(fā)以便改善電池的效能，在使用這類電池組時(shí)，設(shè)計(jì)工程師應(yīng)該要遵守電氣規(guī)格上的限制并隨之調(diào)整驅(qū)動(dòng)電路。

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

　　LCD背光

　　在使用最高前向電壓為3.4V到4V的LED時(shí)，由電池提供的輸入電壓必須相等或高于所需的驅(qū)動(dòng)電壓，因此需要一個(gè)具有穩(wěn)定電流功能的升壓式轉(zhuǎn)換器來推動(dòng)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(dòng)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(dòng)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(shè)計(jì)已經(jīng)逐漸改善充電泵驅(qū)動(dòng)電路的效率，目前最高效率可超過93%,平均則大約在80%.

　　漸進(jìn)式亮度變化與情境式照明漸進(jìn)式亮度變化主要應(yīng)用在可攜式設(shè)備啟動(dòng)或關(guān)機(jī)時(shí)以創(chuàng)造劇場(chǎng)式的照明效果，在啟動(dòng)時(shí)，背光電流會(huì)依照預(yù)先設(shè)定的時(shí)間間隔以步階方式逐步放大到20mA,同樣地，在關(guān)機(jī)時(shí)則采用相反的動(dòng)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(hào)送到LED驅(qū)動(dòng)電路的啟動(dòng)接腳來實(shí)現(xiàn)這種效果，以特定時(shí)間間隔將LED電流用多重步階的方式加大或降低，不過這個(gè)方法卻有耗費(fèi)即時(shí)處理器資源的缺點(diǎn)，因此在如NCP5602與NCP5612等LED驅(qū)動(dòng)晶片產(chǎn)品上就將這個(gè)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(dòng)器應(yīng)用

　　這些驅(qū)動(dòng)晶片需要兩個(gè)飛馳電容、輸出與輸入電容以及一個(gè)用來控制最高輸出電流的電阻（R1），漸進(jìn)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(dòng)晶片，指令本身應(yīng)該包含起始與最終電流大小以及亮度變化的時(shí)間間隔。

　　當(dāng)應(yīng)用在RGB LED上時(shí)，這樣的功能就能用來產(chǎn)生情境式的照明效果，藉由每個(gè)RGB LED各自擁有的32個(gè)明暗步階，像NCP5623這類的LED驅(qū)動(dòng)晶片就可達(dá)到32,768種色彩變化，透過這種明暗步階以及內(nèi)建的對(duì)數(shù)演算法，可創(chuàng)造出對(duì)眼睛來說相當(dāng)平順且線性化的色彩變化，RGBLED驅(qū)動(dòng)電路包含用來調(diào)整3顆LED輸出電流的獨(dú)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(dòng)晶片應(yīng)用

　　由于每個(gè)電流輸出的時(shí)序與電流大小都可以獨(dú)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(dòng)作。

　　ICON模式您是否曾經(jīng)嘗試在黑暗的環(huán)境中觀看手機(jī)的時(shí)間，這時(shí)明亮背光與黑暗環(huán)境間的強(qiáng)烈對(duì)比對(duì)眼睛來說相當(dāng)不舒服，這也是為何會(huì)有''ICON模式''設(shè)計(jì)，可在待機(jī)模式下以微小的電流點(diǎn)亮外部LCD面板來顯示時(shí)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(dá)成，那么處理器就心須在整個(gè)待機(jī)模式下產(chǎn)生一個(gè)連續(xù)的低頻PWM訊號(hào)，在NCP5602中，這個(gè)功能采用硬體方式實(shí)現(xiàn)，并能透過如表1中的數(shù)位指令啟動(dòng)。

表1：NCP5602的I2C內(nèi)部暫存器位元安排

由處理器送到驅(qū)動(dòng)晶片資料位元組中的B5代表了ICON模式的狀態(tài)，當(dāng)B5為L(zhǎng)OW時(shí)，表示使用的是正常背光模式，每個(gè)LED的電流可以在0mA到最大30mA間調(diào)整，當(dāng)B5為HIGH時(shí)，就會(huì)啟動(dòng)ICON模式，且只會(huì)將450μA的電流送到所連接兩顆LED之一，在這個(gè)元件中ICON模式的電流值為固定值，但在類似元件NCP5612上，這個(gè)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(shí)的簡(jiǎn)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(shí)，可選擇線性穩(wěn)壓器來提供驅(qū)動(dòng)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?yàn)榫€性穩(wěn)壓器只需在驅(qū)動(dòng)晶片的周邊加入幾顆電阻，同時(shí)無需使用切換式元件，但這類解決方案的缺點(diǎn)是較窄的有效電池電壓運(yùn)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(dòng)電路的情況，依標(biāo)準(zhǔn)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(shí)離開穩(wěn)壓模式并進(jìn)入飽和模式，這將造成穩(wěn)壓器輸出電流大幅下滑同時(shí)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。