手機(jī)與PDA應(yīng)用LED照明驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)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(shè)備，如移動(dòng)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(yīng)用在LCD顯示面板的背光與鍵盤照明上，當(dāng)然也可通過連接多顆LED帶來較高的亮度作為臨時(shí)照明或閃光燈等應(yīng)用，而可達(dá)1W的高功率LED則應(yīng)用在配備兩百萬像素，甚至更高分辨率的拍照手機(jī)中來支持黑暗環(huán)境中的拍照功能。除白光LED外，RGB（紅、綠、藍(lán)）光LED也經(jīng)常被用來強(qiáng)化移動(dòng)電話的質(zhì)感，通過三種色彩精確適當(dāng)?shù)鼗旌?，RGB LED可創(chuàng)造出豐富多樣的色彩。

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，例如自行定義的群組，如朋友、家人或業(yè)務(wù)往來的來電，這項(xiàng)功能不僅為移動(dòng)電話帶來個(gè)性化，同時(shí)在非常吵雜的環(huán)境中也相當(dāng)有用。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(shí)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(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)建的對數(shù)演算法，可創(chuàng)造出對眼睛來說相當(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)烈對比對眼睛來說相當(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LOW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。

圖4：采用線性穩(wěn)壓器NUD4301做為推動(dòng)小型LCD面板背光的兩顆LED驅(qū)動(dòng)電路

行動(dòng)照明應(yīng)用

臨時(shí)照明手機(jī)所提供的LED照明功能普遍被認(rèn)為是相當(dāng)精妙的設(shè)計(jì)，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(dòng)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(qiáng)度對支援黑暗環(huán)境下的攝影不足夠，事實(shí)上必須要有一個(gè)或更多的高功率LED才能支援1公尺或更遠(yuǎn)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(yīng)，不過在臺(tái)灣與韓國制造商的功率LED產(chǎn)能逐漸開出后，預(yù)料單價(jià)將開始下滑，同時(shí)驅(qū)動(dòng)電路的成本也會(huì)隨量產(chǎn)而下降。

單顆高功率閃光燈驅(qū)動(dòng)電路升壓式轉(zhuǎn)換器是支援高功率LED中最高達(dá)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(huì)有所不同，當(dāng)LED溫度上升時(shí)，前向電壓可能會(huì)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(dòng)單顆高功率LED的最佳方案，不過這類驅(qū)動(dòng)晶片通常成本較高，同時(shí)也需搭配會(huì)提高成本與體積的外部電感。升降壓轉(zhuǎn)換器的優(yōu)點(diǎn)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(shí)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(dòng)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(shè)計(jì)的升壓轉(zhuǎn)換器，每個(gè)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(jī)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(gè)可以提供整體高達(dá)500mA電流，配備8個(gè)輸出的整合型充電泵驅(qū)動(dòng)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(shí)也能夠組成不同的LED組態(tài)來滿足各種平臺(tái)的需求，請參考圖5。

目前移動(dòng)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(dòng)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(shí)，設(shè)計(jì)工程師應(yīng)該遵守電氣規(guī)格限制并據(jù)此調(diào)整驅(qū)動(dòng)電路。
在使用最高正向電壓為3.4V~4V的LED時(shí)，由電池提供的輸入電壓必須等于或高于所需的驅(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.

電荷泵轉(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，電荷泵驅(qū)動(dòng)電路由于具備較低的成本、較薄的厚度以及較低的噪聲特性而成為較佳的選擇，新推出的集成電路設(shè)計(jì)已經(jīng)逐漸改善電荷泵驅(qū)動(dòng)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(dòng)電路通常采1x與2x模式運(yùn)作，部分設(shè)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(shí)每個(gè)LED的電流由各自獨(dú)立的匹配電流源提供，最佳的驅(qū)動(dòng)芯片在相同電路中任兩個(gè)LED電流間的匹配誤差約為0.2%.

圖6：具備內(nèi)部開關(guān)與時(shí)間限制保護(hù)的4.5W功率閃光燈驅(qū)動(dòng)電路

本文小結(jié)

LED的批量供貨已經(jīng)讓移動(dòng)電話與PDA上LCD面板背光用低功率LED的單價(jià)越來越低，新推出的背光驅(qū)動(dòng)芯片也內(nèi)嵌步進(jìn)式亮度控制以及不需任何軟件設(shè)計(jì)，同時(shí)也不耗費(fèi)任何微處理器資源的情境照明控制功能，而這些LED驅(qū)動(dòng)電路可以幫助便攜式產(chǎn)品制造商縮短開發(fā)時(shí)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(dòng)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(dòng)解決方案。分別為獨(dú)立型升降壓轉(zhuǎn)換器、高電流電荷泵驅(qū)動(dòng)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(gè)標(biāo)準(zhǔn)的LED或一顆高功率LED,目前拍照手機(jī)中高功率LED尚未普及的主要原因是單價(jià)較高。在部分高端移動(dòng)電話中使用了兩顆LED以便提供較高亮度的閃光燈來強(qiáng)化拍照手機(jī)的拍照效果。在拍照手機(jī)逐漸取代數(shù)碼相機(jī)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(yàn)。