背光驅(qū)動電路的選擇策略和應(yīng)用介紹

越來越多的便攜式消費電子產(chǎn)品配備了彩色顯示屏，例如手機、數(shù)碼相機、PDA、MP3、PMP播放器等，其中手機又占據(jù)了這個市場的絕大部分份額，從而導(dǎo)致了這兩年來中小尺寸顯示屏產(chǎn)業(yè)鏈的飛速發(fā)展。根據(jù)應(yīng)用的不同，顯示屏?xí)胁煌姆N類，例如TFT-LCD、CSTN-LCD以及OLED顯示屏，從市場的應(yīng)用看，OLED顯示屏只是在折疊式手機的副屏以及MP3的市場上占有一定的份額，而市場的主流依然是TFT和CSTN，這兩種類型的LCD屏占據(jù)了現(xiàn)有的中小尺寸顯示屏出貨量的絕大部分。本文重點就中小尺寸的LCD顯示屏的背光驅(qū)動解決方案作一個分析介紹。

圖1：一種典型的串聯(lián)驅(qū)動電路。

背光驅(qū)動的技術(shù)分析

LCD顯示屏自身并不發(fā)光，為了可以清楚地看到LCD顯示屏的內(nèi)容，需要一定的白光背光源。在中小尺寸LCD顯示屏中，一般采用白光LED作為顯示屏的背光源。白色LED背光電源由數(shù)個白光LED組成，如手機、數(shù)碼相機一般僅需要2到3個白光LED，而PDA和PMP則根據(jù)其顯示屏的面積，可能需要3到6個LED。對背光驅(qū)動電路的要求是：

1. 滿足背光的亮度要求；

2. 整個顯示屏亮度均勻(不允許有某一部分較亮、另一部分較暗的情況)；

3. 亮度可以方便地調(diào)節(jié)；

4. 驅(qū)動電路占PCB空間要??；

5. 工作效率高；

6. 綜合成本低；

7. 對系統(tǒng)其它模塊干擾小。

根據(jù)應(yīng)用場合不同，系統(tǒng)設(shè)計者關(guān)注的重點可能會有所差別,例如對于低成本的產(chǎn)品方案，可能會把整個驅(qū)動電路的成本放在第一位；對于手機應(yīng)用，白光驅(qū)動電路對其他模塊是否會產(chǎn)生EMI干擾則是要重點考慮的因素；而在MP3應(yīng)用中，又有可能對EMI干擾不太關(guān)心。

圖2：一種LED開路保護電路。

白光LED驅(qū)動器基本上有兩種驅(qū)動方式：1. 采用電感升壓式DC/DC升壓變換的原理來驅(qū)動，所有的LED串聯(lián)接在一起，一般也叫做串聯(lián)型驅(qū)動方式；2. 采用升壓式電荷泵驅(qū)動電路，所產(chǎn)生的電壓一般在5V/4.5V或者是根據(jù)LED的正向?qū)妷憾赃m應(yīng)確定的一個電壓，所有的LED并聯(lián)在一起，一般也叫做并聯(lián)型驅(qū)動方式。

串聯(lián)驅(qū)動電路

從技術(shù)發(fā)展的角度看，串聯(lián)型驅(qū)動出現(xiàn)的比較早，技術(shù)上也比較成熟。以啟攀微電子的CP2126為例，典型的串聯(lián)型驅(qū)動電路如圖1所示。

以CP2126為例，一般而言，采用串聯(lián)方式使流過每一個LED的電流都一樣，則發(fā)光的均勻性好；同時由于其升壓原理，所產(chǎn)生的電壓依賴于LED導(dǎo)通指定電流時所需要的電壓，反饋電壓CS內(nèi)部設(shè)定為95mV，可以計算出當(dāng)需要15mA的LED電流時，R1的值應(yīng)該為：

無論是驅(qū)動2個LED還是多達5個LED，都可以通過改變R1的電阻值靈活地設(shè)定LED的亮度，在SHDN引腳施加一定占空比的PWM控制信號，可以使LED的亮度從不亮到滿亮度之間無級變化。

圖3：兩倍電荷泵驅(qū)動電路。

在CP2126的設(shè)計中注意了兩個問題：

1. 避免了EMI的干擾問題

CP2126避免了一般的串聯(lián)型LED驅(qū)動電路中電感和大電流開關(guān)所產(chǎn)生的EMI干擾問題，對于諸如MP3、PMP之類的應(yīng)用場合，這個問題可能影響不大，但是在手機應(yīng)用中，EMI干擾會造成手機的接收靈敏度變差。CP2126通過優(yōu)化內(nèi)部電路的設(shè)計，避免了這個問題。表1對比了兩款串聯(lián)驅(qū)動芯片在相同的應(yīng)用情況下，對手機接收靈敏度的影響。

可以看到，CP2126的工作與否對手機接收靈敏度的指標幾乎沒有影響，而芯片X在工作時，由于EMI的干擾造成了手機接收靈敏度的下降。同時，CP2126在輸入3.6V驅(qū)動3個白光LED的典型應(yīng)用情況下，可以達到83%的轉(zhuǎn)換效率。

PCB設(shè)計也會對電路性能有比較大的影響。一般而言高頻部分的走線應(yīng)該盡可能的短而粗，對地的過孔盡可能的大而多，在CP2126的相關(guān)資料中對此都有比較詳細的說明。

2. 內(nèi)置輸出開路保護電路

在應(yīng)用中，有可能出現(xiàn)LED的開路故障情況，在這種情況下，由于CS引腳的反饋電壓始終為0，如果沒有保護電路，這種升壓型的電路就會一直升壓直到內(nèi)部的開關(guān)管被擊穿而損壞。所以，沒有內(nèi)置開路保護電路的芯片會要求外部增加一個齊納二極管，利用它的擊穿來保護內(nèi)部的開關(guān)管。保護電路如圖2所示。

圖4：混合模式控制原理圖。

顯而易見，這樣的保護電路又增加了系統(tǒng)的成本和PCB的面積，另一種保護方式是增加一個引腳，采用如SOT23－6L的封裝，對VOUT的電壓采樣并進行檢測。CP2126的設(shè)計可以保證外圍應(yīng)用電路無須做任何改動，在LED開路的情況下芯片依然不被損壞，當(dāng)故障狀態(tài)解除后，芯片又可以正常工作。

并聯(lián)驅(qū)動電路

雖然串聯(lián)驅(qū)動電路具備了效率高的優(yōu)點，但是整體的解決方案需要一個電感和一個肖特基二極管，這又額外增加了系統(tǒng)成本，使得最終的綜合成本和并聯(lián)相比，并不一定有優(yōu)勢。同時，貼片電感的體積較大，一般有5.2×5.2mm2大小，同時還有可能產(chǎn)生EMI干擾。

固定模式并聯(lián)驅(qū)動電路

早期的并聯(lián)驅(qū)動電路只是解決了LED所需要的電壓問題，它把電池電壓統(tǒng)一通過電荷泵的方式升壓到5V或者4.5V的這樣一個固定的電壓，然后每一個LED通過串聯(lián)一定的電阻阻值來控制LED的電流。

電荷泵電路的一個基本缺點在于，在給定的輸出電壓要求情況下，隨著輸入電壓的變化，轉(zhuǎn)換效率變化很大，理論上，兩倍電荷泵電路所能達到的最高效率為：

例如，當(dāng)VIN=3.1V，VOUT=5V時，效率可以達到83.3%，由于內(nèi)部器件的損耗，一般也可以達到80%以上。但是，當(dāng)VIN=4.2V,VOUT=5V時，理論效率最高就只有59.5%。

圖5：CP2130/1/3的工作效率圖。

從圖3中可以看到，CP2128外圍元件只需要三個電容，根據(jù)驅(qū)動LED燈的數(shù)目的不同，需要1到5個電阻，和串聯(lián)驅(qū)動電路相比，雖然具有效率不高的缺點，但是外圍元件的成本和所占PCB面積都比較小，還可以說是一個成本相當(dāng)?shù)偷慕鉀Q方案。

混合模式并聯(lián)驅(qū)動電路

為了能夠和串聯(lián)驅(qū)動相抗衡，并聯(lián)驅(qū)動電路要重點解決兩個問題：一個是效率，一個是電流匹配。為了提高效率，非常有必要引入新的工作模式。在這種情況下，驅(qū)動電路所產(chǎn)生的輸出電壓不再是一個固定值，而是一個適當(dāng)并且可以驅(qū)動LED的電壓值。

一般來說，白光LED在工作電流為20mA時，正向?qū)妷阂话阍?.1~3.5V左右。鋰電池的額定電壓為3.6V或3.7V，充滿電后的電壓一般在4.2V~4.3V，鋰離子電池允許深度放電到2.7V，但是在實際應(yīng)用中，一般手機設(shè)置的強制關(guān)機電壓為3.6V左右(不同整機廠商設(shè)定的強制關(guān)機電壓可能不同)。在電池充滿電后，這個電壓足以直接驅(qū)動LED，在這種情況下，電荷泵電路不工作，電池的電壓通過一個開關(guān)直接到VOUT然后驅(qū)動LED。而隨著電池的放電，電池電壓會逐步降低，當(dāng)降低到一定程度不足以直接驅(qū)動LED時，電荷泵電路開始工作。所以集成多種驅(qū)動模式成為背光驅(qū)動的主流解決方案，即所謂集成1倍模式和1.5倍模式，并且在盡可能的情況下，讓電路工作在1倍的直通模式下。啟攀新推出的CP2130/1/3，很好的解決了這兩個問題。其中CP2130可以最多驅(qū)動5個LED，CP2131可以最多驅(qū)動3個LED，CP2133可以最多驅(qū)動4個LED。圖4為混合模式控制原理圖。

圖6：一種典型的混合模式驅(qū)動電路。

同樣，對于系統(tǒng)應(yīng)用而言，最關(guān)心的指標仍是效率和LED電流匹配度。所謂效率，盡可能地工作在1倍模式能夠顯著提高整個電池工作電壓范圍的電源轉(zhuǎn)換效率。

1. 效率

對于關(guān)注的效率問題，CP2130/1/3實現(xiàn)了兩種工作模式自適應(yīng)動態(tài)切換(即根據(jù)電池電壓和LED實際導(dǎo)通壓降判斷)，而不是固定電壓點切換(即只考慮電池電壓)，從而顯著提高了效率。只要電池電壓比LED的工作電壓高350mV至550mV(根據(jù)EN1和EN2的引腳設(shè)定不同而不同)時，CP2130/1/3就可以工作在相對效率較高的一倍模式下。

圖5所示為典型應(yīng)用情況下CP2130/1/3的工作效率?？梢钥吹叫矢鶕?jù)工作模式的不同，是一個兩段的折線圖，80％的電池能量在3.6V~4.1V之間，在這個電壓范圍內(nèi)可以獲得平均80%以上的工作效率。

2. 電流匹配度

和串聯(lián)驅(qū)動相比，并聯(lián)驅(qū)動要解決的一個重要問題就是各個LED間的電流匹配，由于LED的發(fā)光亮度是和它的工作電流相關(guān)的，不一樣的電流會導(dǎo)致顯示屏的亮度不均勻。對于并聯(lián)驅(qū)動的LED，在實際應(yīng)用中，LED由于批次的不同和個體差異，在同樣工作電流情況下的正向?qū)▔航挡煌赡軙?0mV~200mV左右的電壓差值，這要求在設(shè)計內(nèi)部的電流控制電路時需要考慮到這個差異。CP2130/1/3采用申請了國家專利保護的Auto-Mirror技術(shù)，可以使得各并聯(lián)白光LED電流匹配度幾乎不隨白光LED導(dǎo)通壓降的差別而變化。即使導(dǎo)通壓降差在50mV~200mV之間，LED的電流匹配度仍然可以達到2%以內(nèi)。

圖6是一種典型應(yīng)用情況，CP2130/1/3采用QFN 3*3mm² 16引腳的封裝，同時外圍元件相當(dāng)簡單，只需要4個電容。

3. 支持PWM調(diào)光

目前調(diào)光方式主要有兩種，一種是通過改變LED的直流工作電流的方式來調(diào)整亮度，例如，有的芯片通過設(shè)置內(nèi)部的寄存器來直接設(shè)置LED的直流工作電流，從而達到不同的亮度級，這種方式的缺點是可能會產(chǎn)生色移。所謂白光LED，其實是利用一種作為其管芯的藍光ＬＥＤ所發(fā)出的短波長紫藍光，激發(fā)涂布于輸出光學(xué)透鏡內(nèi)壁的熒光材料，進而產(chǎn)生波譜較寬的白色復(fù)合光。在非額定電流工作情況下，LED所產(chǎn)生的光譜會有變化，導(dǎo)致最終的白光有色移。

表1：LED驅(qū)動電路對手機信號接收靈敏度影響的對比測試

而另一種方式就是PWM調(diào)光，利用人眼的視覺暫停原理，以一定的頻率和占空比來周期性的控制白光LED的導(dǎo)通電流在零電流到額定工作電流之間來回切換，從而調(diào)整亮度，這種調(diào)光方式就不會產(chǎn)生色移。在應(yīng)用時，為了確保人眼看不到LED周期亮滅的情況，PWM調(diào)光的頻率一般要大于100Hz，CP2130/1/3可以支持0~50kHz的調(diào)光頻率范圍，這樣大大方便了系統(tǒng)的設(shè)計。并且由于芯片優(yōu)越的環(huán)路控制特性，保證了調(diào)光過程的平穩(wěn)，消除了可能潛在的噪聲干擾。

同時對于第一種調(diào)光方法，CP2130/1/3也設(shè)置了滿量程、2/3量程和1/3量程三個電流等級來實現(xiàn)直流調(diào)光方式。

本文小結(jié)

本文對比介紹了目前常用的兩種背光驅(qū)動解決方案。串聯(lián)驅(qū)動電路具備效率高的優(yōu)點，但是外圍元件比較多，而并聯(lián)驅(qū)動電路經(jīng)過不斷的發(fā)展，已經(jīng)由最初單純的兩倍電荷泵模式電壓控制型電路變成自適應(yīng)模式選擇加電流控制的電路。這樣的電路具備了外圍元件數(shù)目少，綜合成本低的優(yōu)點，同時也避免了串聯(lián)驅(qū)動電路通?？赡苡械腅MI干擾問題。目前，并聯(lián)驅(qū)動電路的方案已經(jīng)越來越多，逐步成為背光驅(qū)動電路的主流方案。