線性WLED驅(qū)動(dòng)器在LCD背光中的應(yīng)用

提高能源效率是當(dāng)今世界最普遍的挑戰(zhàn)之一。由于新的能源標(biāo)準(zhǔn)越來(lái)越嚴(yán)格，消費(fèi)者的意識(shí)不斷提升，消費(fèi)電子產(chǎn)業(yè)也在不斷地向提高效率發(fā)展。對(duì)更高效率的需求推動(dòng)創(chuàng)新企業(yè)開(kāi)發(fā)更加智能的電源管理技術(shù)。其中，顯示器背光是發(fā)展最快的一個(gè)領(lǐng)域。無(wú)論是在移動(dòng)電話、MP3 播放器、便攜式游戲機(jī)還是GPS系統(tǒng)中，LCD屏幕背后的光源使得這一切更多姿多彩。

為這些屏幕供電就像許多工程的挑戰(zhàn)一樣，根據(jù)具體應(yīng)用形成了各種各樣的解決方案。在便攜式顯示器背光市場(chǎng)，一種更新、更智能的解決方案將徹底改變LCD屏幕的照明方式。本文將討論當(dāng)今市場(chǎng)中比較常用的解決方案，并介紹更易于使用、需要更少外部元件、更低成本且具有更高效率的替代解決方案。

升壓WLED驅(qū)動(dòng)器

在便攜市場(chǎng)中，鋰離子電池是最常用的一種電能來(lái)源。典型的鋰離子電池充滿(mǎn)電時(shí)的電壓約為4.2V。電池會(huì)隨著電流的消耗而放電，但是，大約80%的電池壽命在3.9V至3.5V范圍內(nèi)。只需要對(duì)LED提供約3.3V的正向偏置，就能使其發(fā)光。升壓LED驅(qū)動(dòng)器可通過(guò)將較低輸入電壓(來(lái)自鋰離子電池)提升至較高輸出電壓(LED兩端)同時(shí)為多個(gè)LED供電。較高的輸出電壓用于使串聯(lián)的LED串正向偏置。升壓驅(qū)動(dòng)器根據(jù)能夠承載的電壓，可以一次驅(qū)動(dòng)多個(gè)LED。例如，如果開(kāi)關(guān)晶體管的額定電壓為24V，那么，升壓LED驅(qū)動(dòng)器可輕松使串聯(lián)的六個(gè)LED正向偏置(6x3.3VLED≈20V)。圖1示出有六個(gè)串聯(lián)LED的典型升壓LED驅(qū)動(dòng)器。

圖1 六個(gè)LED的典型升壓LED驅(qū)動(dòng)器電路。

典型的升壓LED驅(qū)動(dòng)器電路總共需要四個(gè)外部元件，即，一個(gè)輸入電容器(CIN)、一個(gè)輸出電容器(COUT)、一個(gè)電感器(L)和一個(gè)置位電阻器(RSET)。如圖1所示，LED電流由FB處電壓除以電阻(RSET)得出。升壓LED驅(qū)動(dòng)器基本上是一個(gè)改良的升壓穩(wěn)壓器，能夠以較低反饋電壓降低通過(guò)RSET電阻器的電能損失。與升壓穩(wěn)壓器類(lèi)似，這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)使用電感器和內(nèi)部功率晶體管將能量轉(zhuǎn)移和傳輸?shù)捷敵龆?OUT)。因此，它也繼承了升壓穩(wěn)壓器的缺點(diǎn)，例如，輕載時(shí)效率低、開(kāi)關(guān)噪音，以及有時(shí)由壓電效應(yīng)引起的可聞噪音問(wèn)題(由陶瓷電容器兩端的高交變電壓產(chǎn)生的噪音)。圖2示出典型升壓LED驅(qū)動(dòng)器的效率曲線。

圖2 型升壓LED驅(qū)動(dòng)器的效率。

如圖2所示，用于驅(qū)動(dòng)六個(gè)LED的典型升壓LED驅(qū)動(dòng)器具有大約80%的峰值效率。該數(shù)值可因所用的電感器不同而有所不同。較大尺寸的電感器通常能夠提供更高的效率，但是需要更大的尺寸和更高的成本。LED電流較低時(shí)(調(diào)光過(guò)程中)，由于開(kāi)關(guān)損耗，效率會(huì)降低，這往往是使用升壓LED驅(qū)動(dòng)器的一個(gè)缺點(diǎn)。低效率會(huì)根據(jù)應(yīng)用情況造成潛在的能源浪費(fèi)，但同時(shí)也留下了改進(jìn)余地。如果選擇升壓LED驅(qū)動(dòng)器作為解決方案，但大多數(shù)時(shí)間卻用于較低電流區(qū)域(低于20mA)，那么，系統(tǒng)將會(huì)變得效率低下。假設(shè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)者大部分時(shí)間以全亮度使用升壓LED驅(qū)動(dòng)器，其效率能樣大部分鋰離子電池的壽命維持在80%，如圖2所示。為給定應(yīng)用選擇適當(dāng)?shù)腖ED驅(qū)動(dòng)器固然具有挑戰(zhàn)性，不過(guò)，如果未能全面考慮所有參數(shù)，還將會(huì)損害便攜系統(tǒng)中寶貴的電池壽命。

電荷泵WLED驅(qū)動(dòng)器

當(dāng)前市面上的另一種LED驅(qū)動(dòng)器是電荷泵LED驅(qū)動(dòng)器。電路如圖3所示。

圖3 型電荷泵LED驅(qū)動(dòng)器。

電荷泵LED驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)并聯(lián)的各個(gè)LED。典型的電荷泵總共需要五個(gè)外部元件，即，一個(gè)輸入電容器(C1)、一個(gè)輸出電容器(C2)、兩個(gè)電荷泵電容器(Cx、Cy)和一個(gè)置位電阻器(RSET)。電荷泵優(yōu)于升壓穩(wěn)壓器的一點(diǎn)是，它使用兩個(gè)電荷泵電容器代替大型的外部電感器。另一個(gè)優(yōu)勢(shì)在于它輕載時(shí)的效率。由于輕載時(shí)無(wú)開(kāi)關(guān)損耗，因此，電荷泵能夠在各種負(fù)載范圍內(nèi)維持較高的效率。當(dāng)鋰離子電池電壓較高時(shí)，電荷泵處于旁路模式。在這種模式下，輸入電壓(VIN)通過(guò)電荷泵的內(nèi)部晶體管連接到輸出端(OUT)。當(dāng)電池電壓低于使LED正向偏置所需的正向電壓時(shí)，電荷泵將激活。通過(guò)對(duì)串聯(lián)的電容器(Cx和Cy)充電，然后將它們并聯(lián)以提供能量，可使輸出端的電壓增大50%。這種電荷泵方法使LED能夠被完全偏置，即使電池電壓低于LED正向電壓也如此。但是，這要通過(guò)切換多個(gè)內(nèi)部開(kāi)關(guān)來(lái)完成，而不理想的開(kāi)關(guān)會(huì)造成能量損耗。例如，大多數(shù)情況下，電荷泵處于旁路模式，這時(shí)輸入電壓通過(guò)內(nèi)部開(kāi)關(guān)連接到輸出端。只要LED打開(kāi)，即使電荷泵未激活，開(kāi)關(guān)中也會(huì)有能量損耗。電荷泵工作時(shí)，由于電容器充電和放電過(guò)程中以及開(kāi)關(guān)中的能量損耗，使得它的效率極其低下。由于鋰離子電池壽命是從3.9V到3.5V，因此，在電池壽命幾乎耗盡時(shí)泵入電壓是徒勞之舉。電荷泵LED驅(qū)動(dòng)器的固有問(wèn)題是，它們?cè)谂月纺Ｊ较聲?huì)浪費(fèi)能量，并且在最終升壓階段效率低下。給定應(yīng)用中某種解決方案的低效率會(huì)引導(dǎo)人們開(kāi)發(fā)另一種沒(méi)有此類(lèi)缺陷的解決方案。

線性WLED驅(qū)動(dòng)器

Micrel線性LED驅(qū)動(dòng)器系列(MIC2841A、MIC2842A、MIC2843A、MIC2844A、MIC2845A、MIC2846A)是高效、低成本且易于使用的解決方案，專(zhuān)為驅(qū)動(dòng)便攜顯示器背光市場(chǎng)中的LED而設(shè)計(jì)。圖4示出典型的線性LED驅(qū)動(dòng)器電路。

圖4 型線性LED驅(qū)動(dòng)器。

如圖4所示，MIC2844A直接從鋰離子電池(VIN)驅(qū)動(dòng)并聯(lián)的LED，并且需要兩個(gè)外部元件：輸入電容器(C1)和置位電阻器(RSET)。D針腳(D1至D6)屬于低壓差線性驅(qū)動(dòng)器，其專(zhuān)用于吸收電流值等于RSET設(shè)定的值的電流。由于LED的亮度取決于LED電流，因此在正常工作條件下，針腳之間的電流匹配設(shè)計(jì)為低于1.5%。這樣能夠確保整個(gè)LCD面板的亮度均勻。由于直接從鋰離子電池驅(qū)動(dòng)LED，因此在D針腳處具有低壓差對(duì)于延長(zhǎng)電池壽命來(lái)說(shuō)非常重要。電壓隨著鋰離子電池放電而降低。為了確保LED完全偏置的時(shí)間達(dá)到最大值，每個(gè)D針腳處的壓差設(shè)計(jì)為在電流為20mA時(shí)低于40mV。例如，如果LED正向電壓為3.3V，那么鋰離子電池電壓可以低至3.34V，且仍可使LED完全偏置。線性LED驅(qū)動(dòng)器的效率可通過(guò)下列公式計(jì)算：

效率=(VLED x ILED) / (VBATTERY x (ILED + ISUPPLY))

電源偏置電流 (ISUPPLY = 1.4mA) 將是系統(tǒng)中的唯一能量損耗，但為了使內(nèi)部電路偏置，這是必需的。將LED正向電壓(VLED=3.3V)、LED電流(ILED=20mA)和鋰離子電池電壓(VBATTERY=3.34V)值代入該公式，得到線性LED驅(qū)動(dòng)器的效率最高可達(dá)92%。圖5示出線性LED驅(qū)動(dòng)器的效率。

圖5 型線性LED驅(qū)動(dòng)器的效率。

由于鋰離子電池壽命主要是從3.9V到3.5V，20mA時(shí)正向電壓為3.3V的LED產(chǎn)生的線性LED驅(qū)動(dòng)器效率將為85%到92%。這一效率比升壓LED驅(qū)動(dòng)器提供的效率(如圖2所示)更高。由于線性LED驅(qū)動(dòng)器所用的外部元件更少，因此，在當(dāng)前情況下，線性LED驅(qū)動(dòng)器是更明智的選擇。電荷泵和線性LED驅(qū)動(dòng)器均驅(qū)動(dòng)并聯(lián)LED，它們的效率似乎應(yīng)該相似。但是，由于線性LED驅(qū)動(dòng)器無(wú)內(nèi)部開(kāi)關(guān)晶體管損耗，因此效率比電荷泵LED驅(qū)動(dòng)器(無(wú)論其是否執(zhí)行泵工作)更高。如果鋰離子電池低于3.3V，大多數(shù)便攜設(shè)備將使用省電模式，這會(huì)減小LED電流。這反過(guò)來(lái)又會(huì)降低LED正向電壓，并使LED被完全驅(qū)動(dòng)，即使電池電壓較低時(shí)也如此。這種機(jī)制使電荷泵無(wú)用武之地。由于大多數(shù)便攜系統(tǒng)設(shè)計(jì)為當(dāng)電池電壓降至低于3.3V時(shí)關(guān)機(jī)，因此在此階段沒(méi)有必要對(duì)電池電壓進(jìn)行電荷泵處理?？紤]到大多數(shù)便攜電子產(chǎn)品的操作方式，這使線性LED驅(qū)動(dòng)器超越當(dāng)前市場(chǎng)上的所有其他解決方案。

本文小結(jié)

技術(shù)的發(fā)展正在將便攜電子產(chǎn)業(yè)不斷推向前沿。只要存在改進(jìn)機(jī)會(huì)，就會(huì)出現(xiàn)新的解決方案以取代舊的解決方案。LCD背光市場(chǎng)中存在各種各樣的解決方案，但其中只有一種能夠推動(dòng)行業(yè)向前發(fā)展。Micrel線性WLED驅(qū)動(dòng)器系列專(zhuān)門(mén)針對(duì)便攜應(yīng)用而設(shè)計(jì)，其中，效率、尺寸和成本是最關(guān)鍵的考慮因素。該系列線性驅(qū)動(dòng)器僅需要一個(gè)電阻和一個(gè)電容器，便能夠保持最高的效率(高達(dá)92%)，最小的解決方案尺寸(MIC2844A封裝為2mmx2mm)和最低的成本。這些線性LED驅(qū)動(dòng)器不僅在這三大關(guān)鍵方面都具備優(yōu)勢(shì)，同時(shí)還保持靈活性和易用性。借助高于1.5%的匹配度和可用的PWM及數(shù)字調(diào)光控制，Micrel線性WLED驅(qū)動(dòng)器系列將揭開(kāi)便攜電子領(lǐng)域中WLED驅(qū)動(dòng)方式的革命序幕。