負電荷泵白光LED驅(qū)動器的設計

概述

　　當前許多便攜式消費類電子產(chǎn)品，例如手機、PDA、MP3播放器、筆記本等都帶有顯示屏，雖然不同的應用對于顯示屏的種類以及大小會有所不同，但對于廣大設計人員來說，都需要為其設計背光電路。白光LED被認為是小型手持設備彩色顯示器的理想背光源。

　　驅(qū)動白光LED的最簡單方法是采用電壓源通過一個鎮(zhèn)流電阻驅(qū)動LED（如圖1所示）。這種驅(qū)動方式的優(yōu)點是選擇電壓源的余地很大，調(diào)節(jié)器與LED之間只需要一個連接端點。但缺點也同樣明顯：其一，效率低下，這主要是由于鎮(zhèn)流電阻的損耗造成的；其二，LED電流的穩(wěn)流能力差，控制不精確，由于溫漂以及LED的不匹配造成的LED正向電壓的變化，將使最終的LED電流產(chǎn)生較大變化，從而影響背光亮度的控制。

　　因此，理想的白光LED驅(qū)動方式是采用恒流驅(qū)動，它能避免白光LED由于溫漂造成的電流波動，或者由于LED不匹配造成的亮度不均，可以產(chǎn)生一個可控的LED正向電流。此時驅(qū)動器不需要輸出穩(wěn)定電壓，只需控制流過LED的電流恒定，即可實現(xiàn)可控的亮度控制。

　　常見拓撲結(jié)構(gòu)比較

　　LED的發(fā)光強度與流過LED的電流有關(guān)，電流越大，光強越高。常見數(shù)碼相機和蜂窩電話中一般需要2至3個LED作為背光，而PDA中則一般需要3至6個LED背光?？梢酝ㄟ^并聯(lián)或者串聯(lián)的方式驅(qū)動LED，這兩種方式各有優(yōu)缺點：串聯(lián)方案中LED電流一致，電路控制簡單，但需要較高的驅(qū)動電壓；并聯(lián)方案的電路較為簡單，所需的驅(qū)動電壓也較低，但LED數(shù)目較多時，需要多個控制通道，同時電流的一致性也較差。

　　LED驅(qū)動器從拓撲結(jié)構(gòu)上分，主要可以分為基于電感的DC/DC驅(qū)動器以及基于電容的電荷泵驅(qū)動器，當然也有少數(shù)LED驅(qū)動器采用線性穩(wěn)壓器的驅(qū)動架構(gòu)。由于基于電感的驅(qū)動器能夠提供比較寬范圍的輸出電壓，效率高，因此在很多設計中均采用基于電感的驅(qū)動器結(jié)構(gòu)驅(qū)動多個串聯(lián)LED。而基于電容的電荷泵驅(qū)動器省去了所需的外部電感，具有體積小、設計簡單、成本低的特點，也比較受歡迎。由于基于電荷泵的LED驅(qū)動器只能產(chǎn)生輸入電壓的倍數(shù)(如：1.5倍、2倍)，有限的驅(qū)動電壓使基于電荷泵的LED驅(qū)動器常用于并聯(lián)驅(qū)動多個LED。至于采用線性穩(wěn)壓器的LED驅(qū)動架構(gòu)，由于效率較低，并且只能工作于降壓條件下，因此應用范圍較為受限，無法用于采用單節(jié)Li+電池供電的手持設備。本文主要討論基于電感的DC/DC驅(qū)動器和基于電容的電荷泵驅(qū)動器這兩種常見的拓撲結(jié)構(gòu)。

　　為適應便攜式產(chǎn)品的應用需求，MAXIM提供了多種拓撲結(jié)構(gòu)的LED驅(qū)動器，包括基于電感的LED驅(qū)動器，以MAX1553-MAX1554為代表，還包括MAX1561、MAX1582等器件；以及基于電容的電荷泵驅(qū)動器，以MAX1570為代表，其他產(chǎn)品還有MAX1575、MAX1576等。

　　MAX1553-MAX1554是一款高效、40V升壓轉(zhuǎn)換器，可用于驅(qū)動2-10只串聯(lián)白光LED，為蜂窩電話、PDA和其它手持設備提供高效率的背光顯示。該升壓轉(zhuǎn)換器內(nèi)置40V、低RDSON的N溝道MOSFET開關(guān)，大大提高了轉(zhuǎn)換效率并有效延長電池壽命。該器件具有模擬/PWM兩種模式的亮度調(diào)節(jié)方法，獨立的使能輸入還可用于開/關(guān)控制。軟啟動功能可以有效抑制啟動過程的浪涌電流。器件還具有可調(diào)節(jié)的過壓保護電路，當檢測到輸出過壓時，可關(guān)斷內(nèi)部MOSFET，從而降低輸出電壓。圖2為MAX1553典型工作電路。

　　MAX1570分數(shù)型電荷泵能夠以恒定電流驅(qū)動多達5只白色LED，來獲得均勻的亮度。MAX1570利用1倍/1.5倍分數(shù)型電荷泵和低壓差電流調(diào)節(jié)器，在整個Li+電池供電電壓范圍內(nèi)保持最高的效率。MAX1570工作在1MHz固定頻率，允許選用小巧的外部元件。經(jīng)過優(yōu)化的電流調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)保證低EMI和低輸入紋波。器件可以利用一個外部電阻設置滿量程LED電流，兩個數(shù)字輸入控制開/關(guān)或選擇三級亮度中的一級。器件還可采用脈寬調(diào)制(PWM)信號調(diào)節(jié)LED的亮度。MAX1570典型工作電路見圖3。

　　從圖2和圖3中，可以看出基于電感的LED驅(qū)動器與基于電容的電荷泵型LED驅(qū)動器相比，電路結(jié)構(gòu)較為復雜；功率電感的選取對電路性能的影響較大，對很多設計人員來說是一個難點；此外電感體積也較大，比較占用電路板空間?；陔娙莸碾姾杀眯蚅ED驅(qū)動器僅需少數(shù)幾個電容，設計較為簡單，節(jié)省了電路板空間。然而，基于電感的LED驅(qū)動器與電荷泵型LED驅(qū)動器相比，在效率方面有較明顯的優(yōu)勢，MAX1553在LED工作電流范圍以內(nèi)基本可以保持80%左右的效率（見圖4a），且效率隨電流變化波動較小，而MAX1570電荷泵型LED驅(qū)動器的效率在LED的工作電流范圍內(nèi)有較大波動，且輕載時的效率將低于80%（見圖4b）。

　　可見，基于電容的電荷泵型LED驅(qū)動器雖然具有設計簡單，節(jié)省電路板空間等優(yōu)點，但它相對低的效率卻往往限制了器件的運用，尤其對于效率敏感的應用，例如手持設備中的手機、PDA等產(chǎn)品，人們往往希望電池有足夠長的供電時間。針對這一需求，MAXIM推出了新型負電荷泵LED驅(qū)動器，與傳統(tǒng)的正電荷泵LED驅(qū)動器相比，該器件的效率提高了12%，大大降低了驅(qū)動方案的功耗。
高效率的新型負電荷泵LED驅(qū)動器

　　MAX8647能以恒定電流驅(qū)動6個白光LED或2組RBG LED，適合于顯示屏背光或娛樂照明等應用。通過負電荷泵和自適應超低壓差電流調(diào)節(jié)器，這些器件可在1節(jié)Li+電池的整個輸入電壓范圍內(nèi)、甚至在LED正向電壓存在較大失配時仍然保持極高的效率。圖5給出了MAX8647典型應用電路圖及內(nèi)部原理框圖。

　　傳統(tǒng)正電荷泵型LED驅(qū)動器的電荷泵位于輸入電源(通常是電池)與全部LED之間，當輸入電源下降到一定的值，導致任意一個LED正向壓降不足時，正電荷泵打開，此時VF較低的那些LED將消耗更多的功率。以圖3中的LED5和LED6為例，假設LED5的正向壓降VF5 > VF6。當VIN下降到低于VF5 + 0.15V（電流調(diào)節(jié)器正常穩(wěn)流的正向壓降），整個電荷泵將切換到1.5倍模式，使VOUT提高到VIN的1.5倍，保證LED5的完全導通，但由于傳統(tǒng)的正電荷泵架構(gòu)的電荷泵串聯(lián)于VIN和LED之間，無法動態(tài)切換各路LED的輸出，那些VF較低的LED所對應的調(diào)節(jié)器回路將消耗額外的功耗（例如LED6，其他路同理），從而降低了整個驅(qū)動器的效率。

　　MAX8647這一新型負電荷泵消除了輸入電源與LED之間的線路阻抗，器件所具有的自適應切換技術(shù)可對每個LED進行動態(tài)切換，對各路LED實現(xiàn)獨立的供電、調(diào)光和穩(wěn)流。當某路LED正向壓降不夠時，器件內(nèi)部負電荷泵啟動，將NEG的電壓穩(wěn)定到不超過VIN?5V的電壓上，同時獨立地將該路LED的電流回路從GND切換到NEG，而不是將全部LED的電流回路同時切換過來。例如，圖5中的LED5和LED6，同樣假設LED5的VF5 >VF6。當VIN較高時，負電荷泵關(guān)閉。隨著能量的消耗，當VIN降低到LED5上的正向壓降不足時，器件啟動負電荷泵，LED5率先將LED的電流回路切換到NEG上，而LED6仍然保持原來狀態(tài)，從而使整個LED驅(qū)動器的效率得到提高。這一獨特的拓撲結(jié)果可顯著提高電池壽命，使效率提高大約12%。圖6顯示了MAX8647與傳統(tǒng)電荷泵型LED驅(qū)動器效率的對比關(guān)系。

　　此外，MAX8647還帶有I2C串行接口，可進行獨立的主屏或子屏背光開啟/關(guān)閉以及亮度控制；電流可在24mA至0.1mA范圍內(nèi)以偽對數(shù)形式分32級進行設置；具有溫度降額功能，保證設定為24mA滿幅輸出電流時的安全，當環(huán)境溫度高于+60℃時，器件以2.5%/℃降低電流，以保護LED。同時，該器件還提供了熱關(guān)斷功能（當IC溫度超過160℃時關(guān)斷IC）以及開路和短路保護。

　　結(jié)束語

　　MAX8647負電荷泵白光LED驅(qū)動器，在具備電荷泵型LED驅(qū)動器所具有的小尺寸、設計簡單等共有優(yōu)點外，相對于正電荷泵LED驅(qū)動器，效率提高了12%，它適用于各種效率敏感的手持設備，包括蜂窩電話、智能手機以及媒體播放器等。