用于多顯示屏背光照明的多用途白光LED驅(qū)動(dòng)器

2004年10月B版

引言
今年，預(yù)計(jì)全球?qū)⑸a(chǎn)超過(guò) 6 億部蜂窩電話。這些蜂窩電話不僅是人們的通話工具，現(xiàn)今最新型的蜂窩電話還可用來(lái)瀏覽 Web、無(wú)線傳輸電子郵件、拍照甚至收看流式視頻。消費(fèi)者對(duì)這些“豐富功能”的需求給電話制造商們帶來(lái)了越來(lái)越大的壓力，它們必須把這些功能放進(jìn)越來(lái)越小的電話中，同時(shí)還要保證電池的使用時(shí)間。
從圖 1 所示的方框圖中很容易理解，功能越多就需要在不同的功率級(jí)有更多的低壓輸出軌。而且，為多個(gè)顯示屏提供背光照明以及驅(qū)動(dòng)多種“指示”燈的需求也在增加。例如，手機(jī)具有一個(gè)主顯示器以用來(lái)觀看文本、圖形或照片，一個(gè)副顯示器來(lái)顯示時(shí)間、日期或來(lái)電號(hào)碼，一個(gè)用作照相機(jī)閃光燈或?yàn)橐曨l捕捉而置于手電筒模式的白光 LED，以及一個(gè)照相機(jī)在使用時(shí)發(fā)出紅光的 LED，這種情況并不罕見(jiàn)。

凌特公司電源業(yè)務(wù)部產(chǎn)品市場(chǎng)經(jīng)理 Tony Armstrong

圖1   最新型蜂窩電話方框圖凌特公司電源業(yè)務(wù)部產(chǎn)品

圖2     配置成驅(qū)動(dòng)4個(gè)顯示屏的LTC3206

為什么選擇白光 LED？
白光發(fā)光二級(jí)管(LED)與 CCFL 和電致發(fā)光背光照明器件相比，具有更長(zhǎng)的壽命和更低的功耗。大多數(shù) LED 廠商都表示其產(chǎn)品在標(biāo)稱工作條件下具有 10 萬(wàn)小時(shí)的使用壽命，電源輸入到光輸出的效率可高于 80%。自從 1993 年首次發(fā)布藍(lán)光 LED(波長(zhǎng)為470nm)以來(lái)，從紫外光到黃光的不同顏色基于氮化物 LED 使 LED 的應(yīng)用日趨豐富。不過(guò)，只是在最近五、六年的時(shí)間里，器件制造商才開(kāi)發(fā)出可生產(chǎn)白光 LED(波長(zhǎng)為 430〜700nm)所需的化學(xué)方法和工藝技術(shù)。一般的白光LED具有 15〜20mA 的標(biāo)稱驅(qū)動(dòng)電流，典型正向壓降為2.7〜4.0V。對(duì)于大多數(shù)照明系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，需要一個(gè) LED 陣列來(lái)提供全部所需光強(qiáng)，因此在任何驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)中都必須考慮 LED 亮度的準(zhǔn)確性和匹配問(wèn)題。
與此同時(shí)，在過(guò)去的一段時(shí)間里，小型彩色有源矩陣 TFT 液晶顯示器(LCD)在蜂窩電話中的使用量一直在激增。這些LCD 用來(lái)顯示各種文本數(shù)據(jù)以及圖像和照片。這些顯示器需要小型緊湊和高效的解決方案來(lái)驅(qū)動(dòng)為其提供背光照明的白光 LED。直到最近，這些需求相互之間一直有些矛盾，不過(guò)，最近出現(xiàn)的一些產(chǎn)品使設(shè)計(jì)人員們有了高性能背光照明技術(shù)的選擇。兩種最佳的解決方案是采用低噪聲無(wú)電感器型 DC/DC 轉(zhuǎn)換器(更常見(jiàn)的叫法是電荷泵(charge pump))或采用升壓型 DC/DC 轉(zhuǎn)換器。這兩種方案之間的主要區(qū)別在于是否需要電感器(磁體)以及 LED 是串聯(lián)還是并聯(lián)。LED背光驅(qū)動(dòng)器的最佳架構(gòu)是取決于每個(gè)應(yīng)用的具體需求和限制條件。

一種理想的白光 LED 多顯示屏驅(qū)動(dòng)器
因?yàn)楹芏喾涓C電話都處于“空間受限環(huán)境”，那么電荷泵多顯示屏驅(qū)動(dòng)器就成為這類小至中負(fù)載電流必須充足而且一定為多個(gè)顯示屏供電應(yīng)用環(huán)境之極佳選擇。而且，電荷泵具有低的高度、小的解決方案占板面積和高轉(zhuǎn)換效率，以延長(zhǎng)電池使用時(shí)間及實(shí)現(xiàn)一個(gè)不高的成本。不過(guò)一般的電荷泵 IC 可能有噪聲，而且效率也不高。例如，門控振蕩器電荷泵設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，實(shí)現(xiàn)成本低，但是在輸入和輸出端都產(chǎn)生幾乎不可能濾掉的低頻噪聲。在電源輸入端產(chǎn)生的噪聲能干擾無(wú)線應(yīng)用中的射頻(RF)發(fā)送和接收。在輸出端的噪聲能耦合進(jìn)靈敏的電路，甚至產(chǎn)生聽(tīng)得見(jiàn)的噪聲。為了解決這些噪聲問(wèn)題，設(shè)計(jì)人員們不得不增加一些笨重且昂貴的濾波器。不過(guò)，凌特公司的 LTC3206 采用了一種改進(jìn)的電荷泵解決方案。LTC3206 是高度集成的多顯示屏LED控制器，其包含有高效率、低噪聲分?jǐn)?shù)(fractional)升壓/直接連接電荷泵。
LTC3206 是一種高度集成的多顯示屏 LED 控制器，可同時(shí)為主、副白光 LED 顯示屏以及RGB 彩色 LED 顯示屏供電。LTC3206 僅需要 4 個(gè)細(xì)小的陶瓷電容器和兩個(gè)電阻就可以形成一個(gè)完整的 3 顯示屏 LED 電源和電流控制器。
主、副顯示屏和 RGB 顯示屏的最大電流獨(dú)立設(shè)定，而每個(gè) LED 的電流由一個(gè)內(nèi)部電流源控制。所有顯示屏的調(diào)光和導(dǎo)通/關(guān)斷控制都通過(guò)一個(gè) I2C 串行接口實(shí)現(xiàn)。兩個(gè)輔助LED 引腳可以獨(dú)立地分配給主顯示屏或副顯示屏，增加了設(shè)計(jì)的靈活性。主、副顯示屏的調(diào)光范圍都是 128:1，而每個(gè)紅、綠和藍(lán)光 LED 都具有 16 種調(diào)光狀態(tài)，從而產(chǎn)生 4096 種顏色組合。另外，為了滿足大電流照相機(jī)閃光燈的需求，LTC3206 還能通過(guò)電荷泵(CPO引腳)的輸出提供高達(dá) 400mA 的持續(xù)電流，并能提供高達(dá) 800mA 的峰值電流。
LTC3206 通過(guò)標(biāo)準(zhǔn) I2C 兩線接口與主器件通信。該 I2C 端口以高達(dá) 400kHz 的速度工作，并具有內(nèi)置定時(shí)延時(shí)，以確保當(dāng)從一個(gè)符合 I2C 標(biāo)準(zhǔn)的主控設(shè)備進(jìn)行尋址時(shí)能夠進(jìn)行正確工作。LTC3206 是一個(gè)只接收型(從屬)器件。
為了使噪聲最小，LTC3206 采用了恒定頻率電流調(diào)節(jié)技術(shù)，以確保浮動(dòng)電容器的電荷和放電電流剛好足夠提供負(fù)載電流。該電荷泵工作在兩個(gè)相位，在每個(gè)時(shí)鐘相位上電流幾乎保持恒定，從而確保無(wú)音頻成份。
為了獲得最佳的效率，LTC3206 的電源管理部分提供兩種向 CPO 引腳供電的方法：直接連接模式下的 1:1 或升壓模式下的 1.5x。當(dāng)用 LTC3206 啟動(dòng)任何顯示屏?xí)r，電源管理系統(tǒng)用一個(gè)低阻抗開(kāi)關(guān)把 CPO 引腳直接連接到 VIN。如果在 VIN 提供的電壓足夠高以恰當(dāng)?shù)木幊屉娏鳛樗?LED 供電，那么該系統(tǒng)將在這種“直接連接”模式下提供最高效率。內(nèi)部電路對(duì)所有電流源進(jìn)行監(jiān)視以發(fā)現(xiàn)“壓降”的開(kāi)端，在這點(diǎn)的電流源不能再提供編程電流。隨著電池電壓下降，具有最大正向電壓的LED 將首先達(dá)到壓降門限。當(dāng)任何啟動(dòng)工作的電流源達(dá)到壓降門限時(shí)，LTC3206 就會(huì)切換到升壓模式，并自動(dòng)軟啟動(dòng) 1.5x 升壓電荷泵。
當(dāng)涉及效率和成本效益以驅(qū)動(dòng)用于 LCD 和鍵盤背光照明以及 RGB 和照相機(jī)閃光照明的白光LED 時(shí)，設(shè)計(jì)人員現(xiàn)在可以做出明確選擇了。LTC3206 分?jǐn)?shù)電荷泵可提供高效率、小占板面積、設(shè)計(jì)靈活性和低噪聲性能。■