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          手機(jī)白光LED驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)

          作者: 時(shí)間:2012-02-13 來源:網(wǎng)絡(luò) 收藏

          多年來,發(fā)光二極管(Light Emitting Diode;)已經(jīng)廣泛使用在狀態(tài)指示以及信息顯示屏上,現(xiàn)在我們更可以在常見的紅、綠及黃光之外,選用藍(lán)光以及廣泛應(yīng)用于便攜式設(shè)備的產(chǎn)品。舉例來說,被認(rèn)為是彩色顯示設(shè)備的理想背光照明,但在為這些新型電源時(shí),我們必須注意其本身的特性。本文對(duì)LED分析和解決。

          本文引用地址:http://www.ex-cimer.com/article/168527.htm

          推動(dòng)移動(dòng)電話顯示由單色轉(zhuǎn)換為彩色的一個(gè)主要趨勢(shì)是拍攝功能的集成。最初這些成像器件的分辨率相當(dāng)有限,同時(shí)圖像質(zhì)量也不佳。但隨著技術(shù)的發(fā)展,分辨率由30萬像素的VGA等級(jí)進(jìn)展到100至200萬級(jí)像素,并快速朝向300萬像素以上的分辨率級(jí)邁進(jìn)。在成像器件、處理器與軟件不斷得到改進(jìn)后,消費(fèi)者現(xiàn)在希望得到更多的數(shù)碼相機(jī)功能,例如低照明情況下需要的閃光燈,甚至是自動(dòng)對(duì)焦等。在這樣的分辨率下,良好的畫質(zhì)輸出以及圖片與視頻分享變得更加實(shí)用,這些更高密度的CMOS成像器件需要從目標(biāo)獲得更多的反射光,因此進(jìn)一步推動(dòng)了集成閃光功能的需求。

          LED的新要求

          LED在具體的使時(shí),要注意的選用。LED 驅(qū)動(dòng)除了要滿足安全要求外,另外的基本功能應(yīng)有兩個(gè)方面:一是盡可能保持恒流特性,尤其在電源電壓發(fā)生±15%的變動(dòng)時(shí),仍應(yīng)能保持輸出電流在±10%的范圍內(nèi)變動(dòng)。 二是驅(qū)動(dòng)電路應(yīng)保持較低的自身功耗,這樣才能使LED 的系統(tǒng)效率保持在較高水平。根據(jù)能量來源的不同,LED驅(qū)動(dòng)電路總體上可分為兩類,一是AC/ DC轉(zhuǎn)換,能量來自交流市電,二是DC/ DC轉(zhuǎn)換,能量來自干電池、可充電電池、蓄電池等。根據(jù)LED驅(qū)動(dòng)原理的不同,又可以分為線性驅(qū)動(dòng)電路和開關(guān)驅(qū)動(dòng)電路。

          要將傳統(tǒng)的氙氣閃光燈放置到尺寸相當(dāng)緊湊的內(nèi)對(duì)工程師來說極具挑戰(zhàn)性,因?yàn)槌舜执蟮拈W光用高壓電容外,還必須加上燈泡以及相關(guān)的變壓器與電子線路,而傳統(tǒng)的閃光燈也不適用于視頻拍攝的用途。慶幸的是,LED制造商已經(jīng)著手通過采用如氮化銦鎵(InGaN)等新材料來提升功率LED的光輸出。

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          圖1:基于NCP5005的電感式LED驅(qū)動(dòng)電路。

          另一方面,半導(dǎo)體制造技術(shù)的創(chuàng)新以及封裝方式的改進(jìn)也提高了能夠產(chǎn)生的流明數(shù)以及光電轉(zhuǎn)換效率。要產(chǎn)生最高的光輸出,這些功率LED可能需要400mA或更高,且脈沖寬度在50到200ms的電流輸出能力。但是對(duì)視頻應(yīng)用來說,則需要較小的電流,但時(shí)間卻不僅限于單一脈沖。除了尺寸的限制以及人體工學(xué)的考慮外,這些相機(jī)模塊通常會(huì)集成在屏幕的后方或上方,以便使用者可以利用LCD作為抓取圖像的取景器,這在折疊式上特別常見。成像器件與鏡頭機(jī)構(gòu)可能還必須能夠旋轉(zhuǎn),以便手機(jī)可以在視頻會(huì)議模式下作為面對(duì)面溝通的工具,這在3G網(wǎng)絡(luò)的電話設(shè)計(jì)上預(yù)計(jì)將更加普遍,因?yàn)橛凶銐虻膸捒梢赃\(yùn)用在視頻會(huì)議上。

          在討論這些趨勢(shì)時(shí)我們可以明顯地看出,屏幕顯示的質(zhì)量與分辨率變得越來越高,同時(shí)尺寸也越來越大,特別是具備豐富多媒體功能的手機(jī),預(yù)計(jì)未來將有越來越多的內(nèi)容,如流視頻或廣播視頻、互聯(lián)網(wǎng)瀏覽與電子郵件、拍照與相片查看,以及游戲和信息獲取服務(wù)等。因此,當(dāng)手機(jī)在沒有通話時(shí)屏幕使用將更為頻繁,但是如果手機(jī)的電池續(xù)航能力不夠,這些功能都將受到限制。因此,高效率的系統(tǒng)電源管理,包括屏幕與按鍵的背光電源管理就變得相當(dāng)重要,而諸如相機(jī)閃光燈等以往只有在高端手機(jī)中才能看到的功能也將逐漸成為標(biāo)準(zhǔn)配置。

          這些也將對(duì)白光LED背光驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)帶來挑戰(zhàn):更大的屏幕代表了有更多的區(qū)域需要背光,因此必須提升驅(qū)動(dòng)器件的整體效率;由于空間有限,所以必須在單一封裝中集成更多的功能;由于考慮的不僅是大小,厚度也必須縮減,特別是滑蓋與折疊式造型的產(chǎn)品。

          驅(qū)動(dòng)電路方案

          手機(jī)中白光LED驅(qū)動(dòng)電路經(jīng)常使用兩種架構(gòu):LED以串聯(lián)方式連接的電感升壓轉(zhuǎn)換電路;每顆LED都通過穩(wěn)定的電流源驅(qū)動(dòng)的電荷泵驅(qū)動(dòng)器。電感解決方案可以帶來最佳的整體效率,而電荷泵方式由于使用小型陶瓷電容作為能量轉(zhuǎn)換器件,因此體積最小。圖1和圖2分別給出了兩種驅(qū)動(dòng)架構(gòu)的典型應(yīng)用電路。當(dāng)前,功率LED的效率不斷地得到提高,降低了背光LED的功耗,因此可以用更少的LED提供更高的光輸出。這意味著兩、三年前需要4顆LED提供背光的1.5寸屏幕,現(xiàn)在只需兩顆功耗只有一半的LED就能夠得到相同的性能。

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          為了滿足這個(gè)需求,就需要一顆能夠驅(qū)動(dòng)兩個(gè)LED的新產(chǎn)品,并能以相當(dāng)?shù)偷碾娏髦С制聊槐彻獾牡凸拇龣C(jī)運(yùn)行。為了解決這個(gè)問題,NCP5602/12系列電荷泵LED驅(qū)動(dòng)器件設(shè)計(jì)成可以支持超低電流的ICON模式,同時(shí)能夠通過簡(jiǎn)單的單線式或傳統(tǒng)的I2C串行總線提供兩顆LED的普通背光功能。除了支持最新的輕薄封裝趨勢(shì)外,這些產(chǎn)品也在設(shè)計(jì)上采用新的極薄型LLGA微封裝技術(shù)(2×2×0.55mm)來支持超薄應(yīng)用。此外,部分改進(jìn)的LED材料與設(shè)計(jì)擁有更低的正向電壓(由3.6V降低到3.1V),因此對(duì)電感解決方案來說,相同的功率可以驅(qū)動(dòng)更多的LED.而更復(fù)雜的LED驅(qū)動(dòng)器件,如NCP5604A/B就擁有更多的電壓轉(zhuǎn)換模式選擇,提供更優(yōu)化的功率轉(zhuǎn)換,同時(shí)集成電流源的功率耗損也更低,在手機(jī)電源所使用的鋰離子電池的大部分工作時(shí)間內(nèi)達(dá)到85%的轉(zhuǎn)換效率(PLED/Pin)。

          LED閃光燈已經(jīng)成為照相手機(jī)必備的配置,為此安森美開發(fā)出了NCP5608多重模式電荷泵LED驅(qū)動(dòng)器,能夠驅(qū)動(dòng)4顆LED用于主屏幕與子屏幕的背光,以及可以提供用于驅(qū)動(dòng)1W功率LED的高達(dá)400mA的高電流輸出。這些功能在設(shè)計(jì)上共用一個(gè)高效率的電荷泵轉(zhuǎn)換電路,以便將外接電容的數(shù)目降到最低。

          由于空間有限,特別是新型超薄直板手機(jī)以及翻蓋手機(jī),因此這款器件采用4×4×0.75mm的QFN封裝。為了將控制驅(qū)動(dòng)器所需的連線數(shù)降到最低,該器件采用了兩線I2C數(shù)據(jù)總線作為控制配置接口。在驅(qū)動(dòng)閃光燈LED上提供有4個(gè)專用通道,讓引腳能夠以并聯(lián)方式驅(qū)動(dòng)一個(gè)高功率LED,或用來驅(qū)動(dòng)數(shù)個(gè)以較低電流工作的閃光燈LED.

          LED 驅(qū)動(dòng)電路無法省略限流的裝置,限流裝置的阻抗越大,提供給LED驅(qū)動(dòng)電流的條件越好。但是此類元件應(yīng)具備自身承擔(dān)的分壓高,但功耗要小的特性,否則將使具有較高效率的LED 因?yàn)轵?qū)動(dòng)電路的工作功耗太大而使總體系統(tǒng)的效率大為降低,有悖于節(jié)能高效的宗旨。所以應(yīng)該采用電容、電感或有源開關(guān)電路等高效電路,取代電阻或串聯(lián)穩(wěn)壓電路來作為LED 驅(qū)動(dòng)器的限流主電路,這樣才能保證LED 系統(tǒng)的高效率。

          應(yīng)用展望

          當(dāng)許多新興的多媒體與數(shù)據(jù)服務(wù)變得越來越普遍,手機(jī)設(shè)計(jì)工程師也將持續(xù)面臨需要集成更多功能(例如更大的屏幕、百萬像素成像器件、視頻處理以及應(yīng)用協(xié)處理器等)的挑戰(zhàn),同時(shí)還得滿足移動(dòng)手機(jī)用戶對(duì)待機(jī)與通話時(shí)間的要求,以及使用者對(duì)更長的視頻播放、游戲與網(wǎng)絡(luò)瀏覽的期望,這些都將需要更長的顯示屏使用時(shí)間。幸運(yùn)的是,高亮度LED效率以及創(chuàng)新性LED驅(qū)動(dòng)器件的改進(jìn)將能夠幫助設(shè)計(jì)工程師滿足這些需求,同時(shí)還能符合消費(fèi)者對(duì)重量與尺寸的期望。

          目前手機(jī)彩屏背光主要采用白光LED(WLED),WLED 驅(qū)動(dòng)器的功能就是要向WLED 提供恒定電流,減少電池電壓變化時(shí)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(dòng)器隨著時(shí)間的不同,不同的架構(gòu)先后在手機(jī)中得到了大規(guī)模的應(yīng)用。從2003~2005 年,在手機(jī)中流行使用的是電感升壓型WLED 驅(qū)動(dòng)器;2005~2007 年大規(guī)模使用的是分?jǐn)?shù)電荷泵型WLED 驅(qū)動(dòng)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(dòng)器,經(jīng)歷了一系列的發(fā)展歷程。

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