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          白光LED驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

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          作者: 時(shí)間:2007-03-29 來(lái)源: 收藏

              最近幾年行動(dòng)電話、PDA等可攜式電子產(chǎn)品的液晶顯示器逐漸從黑白銀幕更換成彩色銀幕,由于液晶本身不會(huì)發(fā)光所以液晶顯示必需利用背光照明單元顯示銀幕的信息??蓴y式電子產(chǎn)品的背光照明單元基于耗電性等考慮,因此白光正當(dāng)快速取代傳統(tǒng)燈泡,成為背光照明單元主要發(fā)光組件。為了使白光點(diǎn)燈必需使用高順向電壓VF 與順向電流 IF,尤其是背光照明單元的電流控制,對(duì)可攜式電子產(chǎn)品的電池動(dòng)作時(shí)間具有絕對(duì)性影響,因此本文將深入探討白光背光照明單元的動(dòng)作原理與驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)技巧。

          LED的驅(qū)動(dòng)特性

          圖1是一般穿透式彩色液晶顯示器的結(jié)構(gòu),由圖可知LCD面板下方設(shè)有白光LED光照明單元,白光LED產(chǎn)生的光線經(jīng)由導(dǎo)光板的反射均勻擴(kuò)散射入LCD面板內(nèi),提供彩色畫(huà)面給使用者讀取。 
           
          圖1 穿透式彩色液晶顯示器的結(jié)構(gòu)
          如圖2所示傳統(tǒng)背光照明單元的白光LED是并聯(lián)驅(qū)動(dòng),由于白光LED的亮度因負(fù)載電抗RL的阻抗值使得電流 IF受到限制,也就是說(shuō)白光LED的亮度取決于電阻的阻抗值。然而白光LED的電壓 VF本身具有不同的波動(dòng)范圍,因此相同的電阻會(huì)使白光LED的亮度產(chǎn)生分布不均現(xiàn)象。 
           
          圖2 傳統(tǒng)背光照明單元的白光LED的驅(qū)動(dòng)方式
          如上所述白光LED的亮度若不相同時(shí),背光照明單元的光線就會(huì)有所謂的照明不均問(wèn)題,雖然使用電氣特性相同的LED可以改善亮度不均的困擾,不過(guò)實(shí)際上卻無(wú)法對(duì)LED廠商作如此要求。此外配合各LED的電氣特性,逐一調(diào)整負(fù)載電阻的阻抗值,事實(shí)上這種方式并非根本的對(duì)策。為了使流入LED的電流完全相同,所以將串聯(lián)方式改成圖3所示的串聯(lián)方式,如此一來(lái)即使LED的電壓具有不同的波動(dòng)值,由于流入各LED的電流ILED相同,因此各LED產(chǎn)生的輝度幾乎一致。
           
           
          圖3 LED的串聯(lián)驅(qū)動(dòng)方式
           
          每個(gè)白光LED最少需施加3.6V以上的驅(qū)動(dòng)電壓才能獲得預(yù)期的輝度,由圖3可知當(dāng)復(fù)數(shù)個(gè)白光LED串聯(lián)連接時(shí),相對(duì)的必需等比例提高驅(qū)動(dòng)電壓。圖4是利用switching regulator IC NJM2360構(gòu)成白光電路,該電路是施加1.25V的電壓 VREF至INVIN端子藉此方式?jīng)Q定RL的阻抗值,也就是說(shuō)決定白光LED亮度的各LED電流 ILED可由下式求得: 
           
          假設(shè)各LED的電流ILED為15mA, RL約為830Ω,三個(gè)3.6V白光LED的電壓VF并聯(lián)連接時(shí),LED整體的驅(qū)動(dòng)電壓 VLED 為:

          VLED=  VREF + NVF
               
                 =  1.25 + 3x3.6
                 =  12.05 (V)
          N : 并聯(lián)連接的LED數(shù)量
           
           
          圖4 利用switching regulator IC驅(qū)動(dòng)白光LED的電路

           
          白光LED點(diǎn)燈時(shí)需要15MA的電流IF ,不過(guò)周圍很黑暗的環(huán)境時(shí),往往不需作全開(kāi)驅(qū)動(dòng),此時(shí)可控制驅(qū)動(dòng)電流抑制LED的亮度,進(jìn)而降低LED的耗電量,這對(duì)使用電池的可攜式電子產(chǎn)品而言,乃是非常重要的節(jié)約電流技術(shù)。有關(guān)驅(qū)動(dòng)電流控制技術(shù)常用的方法是利用PWM信號(hào)作控制,該方法經(jīng)常被應(yīng)用在其它領(lǐng)域,例如馬達(dá)控制或是聲音信號(hào)處理等等。由于PWM信號(hào)可使switching regulator作ON/OFF,因此它可使LED的輝度穩(wěn)定化,同時(shí)還可以確保電池長(zhǎng)時(shí)間的動(dòng)作特性。由圖5可知周圍溫度一旦超過(guò) 500C,白光LED的容許順向電流會(huì)大幅降低,在此情況下如果施加大電流,很容易造成白光LED老化,為了減緩白光LED的老化速度,所以必需利用周圍溫度調(diào)整基準(zhǔn)電壓 VREF ,藉此減少電流的供給。

          根據(jù)以上的說(shuō)明可歸納下列結(jié)論:

          ‧ 白光LED的電壓VF非常高。

          ‧ 電壓 VF本身具有波動(dòng)值。

          ‧ 衡時(shí)全開(kāi)點(diǎn)燈會(huì)使白光LED的耗電量增加。

          ‧ 電源電壓變動(dòng)會(huì)影響白光LED的輝度。

          為了使白光LED能穩(wěn)定點(diǎn)燈,且不受電壓VF 本身波動(dòng)值以及電源電壓變動(dòng)的影響,所以必需使用專門(mén)的白光器。
           
           
          圖5 周圍溫度與容許順向電流的關(guān)系
          白光LED的驅(qū)動(dòng)電路

          ‧基本驅(qū)動(dòng)電路
          如圖6所示一般switching regulator是設(shè)法使feed back電壓VFB,與內(nèi)部基準(zhǔn)電壓VREF相等進(jìn)而控制電壓,因此決定白光LED亮度的電流ccc可由下式(1)求得。如果將周圍的亮度也列入輝度控制電路時(shí),如圖6的白光電路就變成圖7所示的結(jié)構(gòu)。圖7的電路與圖6的電路最大差異點(diǎn),是圖7的電路增加設(shè)置photo transistor Tr1、電阻R1 與R2voltage follower的OP增幅器(演算增幅器)IC1 ,此時(shí)流入Tr1輸出電壓VSENS與白光LED的電流ILED可用下式表示: 
           
          換句話說(shuō)利用上式驅(qū)逐白光LED的場(chǎng)合,必需作下列調(diào)整作業(yè):

          ‧為獲得周圍亮度必需調(diào)整照度傳感器(sensor)的輸出電壓 VSENS。

          ‧利用輸出電壓 VSENS調(diào)整白光LED的亮度。
           

           


           
          圖6 switching regulator構(gòu)成的基本LED驅(qū)動(dòng)電路
           
           
          圖7利用周圍照度控制LED輝度的驅(qū)動(dòng)電路

           
          ‧利用PWM信號(hào)使switching regulator作ON/OFF的輝度控制電路

          上述圖7的驅(qū)動(dòng)電路是在feed back電壓進(jìn)行輝度控制,相較之下圖8是利用PWM信號(hào)使switching regulator作ON/OFF控制輝度。圖中的EN端子是可使switching regulator作ON/OFF的端子,如果對(duì)EN端子施加PWM信號(hào),白光LED會(huì)以某種速度作ON/OFF,進(jìn)而獲得控制輝度的預(yù)期效應(yīng),這種情況必需設(shè)置可使photo transistor Tr1的輸出轉(zhuǎn)換成數(shù)字值的A-D轉(zhuǎn)換器(converter),以及可從數(shù)字值產(chǎn)生PWM信號(hào)的電路。利用PWM信號(hào)控制白光LED ON/OFF的場(chǎng)合,流入白光LED的平均電流 ILED(avg)可用下式表示: 
           


           

           

           
           
           
           
          圖8 利用PWM信號(hào)控制LED輝度的驅(qū)動(dòng)電路
           

          ‧白光LED專用驅(qū)動(dòng)電路

          接著要介紹白光LED專用驅(qū)動(dòng)電路用NJU6502 IC。圖9是NJU6502 IC的電路方塊圖,NJU6502 IC除了switching regulator之外,還具備photo transistor輸入電路、A-D轉(zhuǎn)換器、PWM控制器,以及可從微控器(micro controller)設(shè)定內(nèi)部阻抗值與動(dòng)作模式的serial interface。PWM控制用電阻(resistor)共有8個(gè),每個(gè)電阻都可任意 設(shè)成6位,各電阻可利用周圍照度亦即photo transistor產(chǎn)生的輸入電壓作選 擇,換句話說(shuō)輝度的控制可由64階段的其中任意8階段執(zhí)行,此外周圍照度亦可由微控器直接控制輝度。
           
           
          圖9 NJU6052IC的電路方塊圖

           
          ‧NJU6052IC的應(yīng)用實(shí)例

          由圖10可知NJU6052 IC除了可以作升壓與輝度控制之外,電路本身的外置組件非常少。NJU6052 IC的各組件參數(shù)(parameter)取決于下列條件:


          ‧負(fù)載阻抗RL 

          由于內(nèi)部基準(zhǔn)電壓 VREF為0.6V,因此負(fù)載阻抗RL可利用流入LED的電流ILED以及下式求得: 
           


          ‧內(nèi)部振蕩器的電容量Cx

          內(nèi)部振蕩器的電容量Cx可利用圖11的坐標(biāo)圖求得。由于振蕩頻率fOSC 介于350kHz~500kHz之間,因此內(nèi)部振蕩器的電容量Cx 約為47pF~68Pf左右。

          ‧L1的電感值(inductance)

          L1的電感值(inductance)可用下式求得:
           
           

          ‧二極管的選用

          由于二極管是用于switching regulator,因此選用時(shí)必需注二極管的定格電流與逆向耐壓裕度。此外順向電壓越低,switching的速度越快,電力轉(zhuǎn)換效率就越高,因此可選用shot key barrier二極管。
          ‧pass control的選用
          輸入端可選用積層陶瓷積層陶瓷電容器,而且組裝時(shí)盡量設(shè)于IC附近。此外輸出端基于抑制波紋(ripple)電壓等考慮,因此建議選用低ESR的電容。雖然輸出端也可以使用積層陶瓷電容器,不過(guò)必需注意的是如果電容量太大時(shí)放電時(shí)間會(huì)變長(zhǎng),進(jìn)而造成與PWM信號(hào)的duty比成一定比例的調(diào)光控制無(wú)法進(jìn)進(jìn)行。

           

           
           
          圖10 利用NJU6052KN1 IC構(gòu)成白光驅(qū)動(dòng)電路
           
           
          圖11 Cx與fOSC  的關(guān)系
          結(jié)語(yǔ)
          以上介紹有關(guān)可攜式電子產(chǎn)品的液晶顯示器用白光LED的驅(qū)動(dòng)技術(shù),白光LED專用的驅(qū)動(dòng)IC可使驅(qū)動(dòng)電路獲得小型、高點(diǎn)燈效率等特性,進(jìn)而使可攜式電子產(chǎn)品的電池延長(zhǎng)動(dòng)作時(shí)間。

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