基于升壓的負(fù)電荷泵白光LED驅(qū)動(dòng)器的設(shè)置

概述

　　當(dāng)前許多便攜式消費(fèi)類電子產(chǎn)品，例如手機(jī)、PDA、MP3播放器、筆記本等都帶有顯示屏，雖然不同的應(yīng)用對(duì)于顯示屏的種類以及大小會(huì)有所不同，但對(duì)于廣大設(shè)計(jì)人員來說，都需要為其設(shè)計(jì)背光電路。白光LED被認(rèn)為是小型手持設(shè)備彩色顯示器的理想背光源。

　　驅(qū)動(dòng)白光LED的最簡(jiǎn)單方法是采用電壓源通過一個(gè)鎮(zhèn)流電阻驅(qū)動(dòng)LED（如圖1所示）。這種驅(qū)動(dòng)方式的優(yōu)點(diǎn)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(gè)連接端點(diǎn)。但缺點(diǎn)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(dòng)方式是采用恒流驅(qū)動(dòng)，它能避免白光LED由于溫漂造成的電流波動(dòng)，或者由于LED不匹配造成的亮度不均，可以產(chǎn)生一個(gè)可控的LED正向電流。此時(shí)驅(qū)動(dòng)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(shí)現(xiàn)可控的亮度控制。

常見拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)比較

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

　　LED驅(qū)動(dòng)器從拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)上分，主要可以分為基于電感的DC/DC驅(qū)動(dòng)器以及基于電容的電荷泵驅(qū)動(dòng)器，當(dāng)然也有少數(shù)LED驅(qū)動(dòng)器采用線性穩(wěn)壓器的驅(qū)動(dòng)架構(gòu)。由于基于電感的驅(qū)動(dòng)器能夠提供比較寬范圍的輸出電壓，效率高，因此在很多設(shè)計(jì)中均采用基于電感的驅(qū)動(dòng)器結(jié)構(gòu)驅(qū)動(dòng)多個(gè)串聯(lián)LED。而基于電容的電荷泵驅(qū)動(dòng)器省去了所需的外部電感，具有體積小、設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、成本低的特點(diǎn)，也比較受歡迎。由于基于電荷泵的LED驅(qū)動(dòng)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(dòng)電壓使基于電荷泵的LED驅(qū)動(dòng)器常用于并聯(lián)驅(qū)動(dòng)多個(gè)LED。至于采用線性穩(wěn)壓器的LED驅(qū)動(dòng)架構(gòu)，由于效率較低，并且只能工作于降壓條件下，因此應(yīng)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(shè)備。本文主要討論基于電感的DC/DC驅(qū)動(dòng)器和基于電容的電荷泵驅(qū)動(dòng)器這兩種常見的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

　　為適應(yīng)便攜式產(chǎn)品的應(yīng)用需求，MAXIM提供了多種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的LED驅(qū)動(dòng)器，包括基于電感的LED驅(qū)動(dòng)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(dòng)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(dòng)2-10只串聯(lián)白光LED，為蜂窩電話、PDA和其它手持設(shè)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(zhǎng)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(dú)立的使能輸入還可用于開/關(guān)控制。軟啟動(dòng)功能可以有效抑制啟動(dòng)過程的浪涌電流。器件還具有可調(diào)節(jié)的過壓保護(hù)電路，當(dāng)檢測(cè)到輸出過壓時(shí)，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?jǐn)?shù)型電荷泵能夠以恒定電流驅(qū)動(dòng)多達(dá)5只白色LED，來獲得均勻的亮度。MAX1570利用1倍/1.5倍分?jǐn)?shù)型電荷泵和低壓差電流調(diào)節(jié)器，在整個(gè)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(gè)外部電阻設(shè)置滿量程LED電流，兩個(gè)數(shù)字輸入控制開/關(guān)或選擇三級(jí)亮度中的一級(jí)。器件還可采用脈寬調(diào)制(PWM)信號(hào)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(dòng)器與基于電容的電荷泵型LED驅(qū)動(dòng)器相比，電路結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜；功率電感的選取對(duì)電路性能的影響較大，對(duì)很多設(shè)計(jì)人員來說是一個(gè)難點(diǎn)；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(dòng)器僅需少數(shù)幾個(gè)電容，設(shè)計(jì)較為簡(jiǎn)單，節(jié)省了電路板空間。然而，基于電感的LED驅(qū)動(dòng)器與電荷泵型LED驅(qū)動(dòng)器相比，在效率方面有較明顯的優(yōu)勢(shì)，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(dòng)較小，而MAX1570電荷泵型LED驅(qū)動(dòng)器的效率在LED的工作電流范圍內(nèi)有較大波動(dòng)，且輕載時(shí)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(dòng)器雖然具有設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，節(jié)省電路板空間等優(yōu)點(diǎn)，但它相對(duì)低的效率卻往往限制了器件的運(yùn)用，尤其對(duì)于效率敏感的應(yīng)用，例如手持設(shè)備中的手機(jī)、PDA等產(chǎn)品，人們往往希望電池有足夠長(zhǎng)的供電時(shí)間。針對(duì)這一需求，MAXIM推出了新型負(fù)電荷泵LED驅(qū)動(dòng)器，與傳統(tǒng)的正電荷泵LED驅(qū)動(dòng)器相比，該器件的效率提高了12%，大大降低了驅(qū)動(dòng)方案的功耗。