如何選擇基于手機的高性能白光LED驅(qū)動器

前言

目前手機彩屏背光主要采用白光LED（WLED），WLED 驅(qū)動器的功能就是要向WLED 提供恒定電流，減少電池電壓變化時所引起LED 亮度的變化以及不同LED 之間的亮度不匹配。這樣的WLED 驅(qū)動器隨著時間的不同，不同的架構(gòu)先后在手機中得到了大規(guī)模的應(yīng)用。從2003～2005 年，在手機中流行使用的是電感升壓型WLED 驅(qū)動器；2005～2007 年大規(guī)模使用的是分?jǐn)?shù)電荷泵型WLED 驅(qū)動器；到2007 年初嶄露頭角、2008 年逐步流行的低壓降恒流型WLED 驅(qū)動器，經(jīng)歷了一系列的發(fā)展歷程。如何選擇合適的WLED 驅(qū)動器？下面將逐步分析，以便從WLED 驅(qū)動器演變的過程中去尋找合適架構(gòu)的LED 驅(qū)動器。

串聯(lián)電感升壓型WLED 驅(qū)動器架構(gòu)

如圖1 所示，串聯(lián)電感升壓型WLED 驅(qū)動器比較方便的通過一個電阻就設(shè)定了一串WLED的工作電流。但是它的最大問題在于：由于使用了電感來進(jìn)行升壓（boost），電感是通過把電能轉(zhuǎn)換成磁能來儲存能量的，在工作過程中，不停的進(jìn)行電磁轉(zhuǎn)換、這樣就可能產(chǎn)生電磁輻射和電磁干擾，從而影響手機中的射頻模塊工作。例如：手機的接受靈敏度指標(biāo)可能在背光模塊工作時受到影響而下降，這樣在基站信號不強的區(qū)域，背光模塊的工作可能會導(dǎo)致通話質(zhì)量的下降，導(dǎo)致用戶對手機品質(zhì)的抱怨。

圖1：串聯(lián)電感升壓型LED驅(qū)動器典型應(yīng)用圖

分?jǐn)?shù)電荷泵型WLED 驅(qū)動器架構(gòu)

2005 年開始，手機中逐步流行分?jǐn)?shù)電荷泵WLED 驅(qū)動器，其基本架構(gòu)如圖2：

圖2：分?jǐn)?shù)電荷泵WLED驅(qū)動器典型應(yīng)用圖

通常這種分?jǐn)?shù)電荷泵型WLED 驅(qū)動器都是多模式的，可以自動根據(jù)WLED 的正向?qū)▔航担╒F）和電源電壓，來自動決定驅(qū)動器所需要的工作模式，比如，當(dāng)WLED 的VF為3.3V時，電池電壓在3.8V 以上，通過內(nèi)部的模式判斷電路，驅(qū)動器可以停留在1X 工作模式下，當(dāng)電池電壓下降到不足以維持WLED 的設(shè)定電流時，通過電荷泵達(dá)到升壓增強驅(qū)動能力的目的。

這種分?jǐn)?shù)電荷泵型WLED 驅(qū)動器的好處在于：消除了電感，減少了對手機射頻電路的干擾，用廉價的電容儲能來代替電感儲能，外圍元件的成本也進(jìn)一步降低。這種芯片的封裝一般為QFN3mm×3mm 16L 的封裝。

分?jǐn)?shù)電荷泵型WLED 驅(qū)動器的工作有一個特點：在理想情況下，輸出80mA 的驅(qū)動電流時，當(dāng)工作在1X 模式下，電源消耗電流的為80mA（考慮到芯片內(nèi)部其他電路的消耗，電流一般小于81mA）；當(dāng)工作在1.5X 模式下，電源消耗的電流突變?yōu)?20mA（考慮到芯片內(nèi)部其他電路的消耗以及開關(guān)損耗，電流一般在123mA 左右），當(dāng)工作在2X 模式下，電源消耗的電流突變?yōu)?60mA。因此，從分?jǐn)?shù)電荷泵型WLED 驅(qū)動器的效率曲線上，通常會看到一個或者兩個突變點。因此，對于分?jǐn)?shù)電荷泵型WLED 驅(qū)動器，如何盡可能降低模式切換時所對應(yīng)的電源電壓，延長驅(qū)動器在1X 模式下的工作時間，才是提升整體效率的關(guān)鍵。例如：圖3 所示的分?jǐn)?shù)電荷泵型WLED 驅(qū)動器，在電源電壓低于3.75V 時就要退出1X 工作模式，因此，它最終所表現(xiàn)出來的整體效率和一個電源電壓低到3.5V 才退出1X 模式的電荷泵型WLED 驅(qū)動器整體效率會有很大的差別。

圖3：分?jǐn)?shù)電荷泵型WLED驅(qū)動器效率折線圖

圖4：分?jǐn)?shù)電荷泵型WLED驅(qū)動器電源電流和工作模式關(guān)系

低壓降恒流型WLED 驅(qū)動器架構(gòu)

隨之發(fā)光LED 的工藝改進(jìn)，WLED 的正向?qū)▔航翟谙陆?。圖5 為2006 年一款Nichia公司NSSW100CT WLED 的I-V 曲線，從圖中可以看出提供20mA 電流的WLED VF 僅為3.2V左右。目前，基本上手機中普遍用到的WLED 的正向?qū)▔航狄话阍?.0～3.2V 之間。

圖5：Nichia WLED I-V曲線

隨著WLED 的VF 持續(xù)下降，驅(qū)動WLED 是否還需要升壓？結(jié)合鋰離子電池的特性和實際應(yīng)用的情況來分析這個問題。
目前手機使用的電池都是鋰離子電池，鋰離子電池的特點為額定電壓3.6V，充滿電后為4.2V。在手機工作時，電池不斷放電，電池電壓不斷下降，電池放電的電流不同，電壓下降的曲線速率也不同，一般來說，在電池電壓3.5V～4.2V 之間集中了90%的電池能量（如圖6）。

圖6：電池能量分布概圖

結(jié)合這種實際情況，一般手機的工作設(shè)置為當(dāng)鋰離子電池放電到一定程度時，會通過軟件的設(shè)置為不能通話或者強行關(guān)機。深度放電對鋰離子電池的壽命會造成不可逆轉(zhuǎn)的損傷，因此關(guān)機電壓一般設(shè)置為3.5V 左右。而這時，如果考慮到WLED 的VF 在3.0V~3.2V之間，實際上驅(qū)動WLED 可以不再需要升壓。