小型LCD背光的LED驅(qū)動電路設(shè)計(jì)考慮因素

過去幾年來，小型彩色LCD顯示屏已經(jīng)被集成到范圍越來越寬廣的產(chǎn)品之中。彩色顯示屏曾被視為手機(jī)的豪華配置，但如今，即便在入門級手機(jī)中，彩屏已成為一項(xiàng)標(biāo)配。幸好，手機(jī)產(chǎn)業(yè)的經(jīng)濟(jì)規(guī)模性(全球手機(jī)年出貨量接近10億部)降低了LCD彩色顯示屏的成本，并使它們集成在無論是便攜醫(yī)療設(shè)備、通用娛樂遙控器、數(shù)字相框/圖像查看器、教育玩具，或是最新具有WiFi功能的VoIP無繩電話等其他產(chǎn)品中都具有吸引力。

　　彩色LCD顯示屏需要白色背光，以便用戶在任何光照環(huán)境下都能正常地觀看。這個背光子系統(tǒng)包括1個高亮度白光發(fā)光二極管(LED)陣列、1個擴(kuò)散器(diffuser)以擴(kuò)散光線和1個背光驅(qū)動器將可用電能穩(wěn)壓為恒定電流以驅(qū)動LED。一塊1到1.5英寸的顯示屏可能包含2到4個LED，而一塊3.5英寸顯示屏則可能輕易地就包含6到10個LED。對于LED而言，其光輸出與電流成正比，而且由于LED具有非常陡峭的電流-電壓(I-V)曲線，流過LED的電流緊密匹配是非常重要，這樣才能確保均衡背光，因?yàn)長ED通常分布在LCD顯示屏的一邊。此外,也需要軟件控制讓用戶調(diào)節(jié)亮度，以及針對周圍光照環(huán)境作出補(bǔ)償。根據(jù)流經(jīng)LED電流的不同，LED的色點(diǎn)(color point)可能會漂移。因此，將LED電流設(shè)定為固定值并對LED進(jìn)行脈寬調(diào)制以降低平均光輸出就很普遍。要在手持產(chǎn)品設(shè)計(jì)中集成小型彩色LCD顯示屏并進(jìn)而實(shí)現(xiàn)成本、性能和電池壽命的恰當(dāng)平衡，存在著一系列需要考慮的因素。

　　電池供電產(chǎn)品需要優(yōu)化的LED驅(qū)動電路架構(gòu)，這些架構(gòu)要處理并存的多項(xiàng)挑戰(zhàn)，如空間受限、需要高能效，以及電池電壓變化―既可能比LED的正向電壓高，也可能低。常用的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有兩種，分別是LED采用并聯(lián)配置的電荷泵架構(gòu)/恒流源架構(gòu)和LED采用串聯(lián)配置的電感升壓型架構(gòu)。這兩種方案都有需要考慮的折衷因素，如升壓架構(gòu)能夠確保所有LED所流經(jīng)的電流大小相同但需要采用電感進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換，而電荷泵架構(gòu)使用小型電容進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換，但所有LED并聯(lián)排列得太過緊密以致電流匹配成為均衡背光所面對的一項(xiàng)棘手問題。圖1展示了這兩種架構(gòu)的示例。
　　　　　　　　　　


　　　　　　　　　　　

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　圖1：電荷泵和電感LED驅(qū)動器電路圖

　　設(shè)計(jì)時應(yīng)做好以下幾點(diǎn)

1． 評估顯示屏的大概使用時間

　　選擇白光LED驅(qū)動器時，需要考慮到顯示屏的使用頻率。如果顯示屏?xí)婚L時間背光觀看，擁有高效率的轉(zhuǎn)換器對電池使用時間就顯得至關(guān)重要。較大的顯示屏需要較多的LED，而顯示屏使用時間較長的應(yīng)用則會從能效更高的升壓型拓?fù)渲惺芤?。相反地，如果顯示屏僅用于短時間背光，那么效率就可能不是一項(xiàng)關(guān)鍵的設(shè)計(jì)參數(shù)。

2． 仔細(xì)考慮LED選擇

　　LED技術(shù)持續(xù)快速改進(jìn)，制造商在使用新的材料、制造技術(shù)和LED設(shè)計(jì)來為同等大小的電流釋出更大的光輸出，這樣一來，幾年前需要4個LED進(jìn)行背光的顯示屏如今可能采用2個LED就能實(shí)現(xiàn)同樣的背光亮度。不僅如此，過去通常使用冷陰極熒光燈(CCFL)進(jìn)行背光的4到7英寸較大顯示屏，如今正在轉(zhuǎn)向使用LED進(jìn)行背光。此外，LED的正向電壓正趨向更低。因此，不僅需要考慮驅(qū)動器制造商的數(shù)據(jù)表曲線上的驅(qū)動器效率，還需要基于采用所選LED對驅(qū)動器進(jìn)行的評估來予以考慮。表1列舉了幾款LED的一些重要規(guī)范，顯示了這些LED 在正向電壓和發(fā)光亮度等方面的差別。需要說明的是，正向電壓范圍的變化較大，這意味著驅(qū)動器的效率應(yīng)該采用LED規(guī)范的極限值來進(jìn)行評估。
　　　　　　　　　　　　　　


　　　　　　　　　　　　　　　　　　　表：幾種不同的LED的特性參數(shù)

3. 注意布線

　　即使各個LED采用10到20mA的極低電流來驅(qū)動，流經(jīng)轉(zhuǎn)換器的峰值電流也明顯高得多。這對于電感拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)而言猶為如此，因?yàn)榉逯甸_關(guān)電流可能是 LED平均電流的10到20倍。因此，需要使用適當(dāng)?shù)牡蛽p耗布線技術(shù)。對電荷泵型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)而言，電容應(yīng)該布置在鄰近驅(qū)動器的位置，使回路面積減至最小以避免輻射開關(guān)噪聲。對于電感升壓型轉(zhuǎn)換器而言，輸入和輸出電容以及電感應(yīng)設(shè)在鄰近驅(qū)動器的位置。此外，電流設(shè)定電阻(Rfb)應(yīng)該直接連接至芯片的接地，因?yàn)閮?nèi)部參考和檢測電壓之間的錯誤會直接影響LED電流精確度。

4. 在真實(shí)環(huán)境下測您的試產(chǎn)品

　　考慮顯示屏在外界高亮度光照條件下的表現(xiàn)，并確保軟件調(diào)光控制擁有足夠的動態(tài)范圍，從而在預(yù)期的光照環(huán)境下能夠充分地對顯示屏進(jìn)行調(diào)光。

　　應(yīng)該注意避免以下問題

1． 忘記考慮邊界和故障模式

　　錯誤總會發(fā)生，如果LED對地開路或短路，驅(qū)動器應(yīng)該如何處理這個問題？對于電感升壓驅(qū)動器而言，如果LED串開路，輸出就會激增，因?yàn)楹愣娏鲿敵鲭娙葸M(jìn)行充電，從而需要過壓保護(hù)，但這種功能可能會、也可能不會集成在驅(qū)動器中。這在工廠測試中可能會成為一個問題，因?yàn)轱@示屏在某些測試步驟中可能還未被安裝。此外，評估產(chǎn)品開啟時的浪涌條件也很重要，因?yàn)榇碎g大量的電流消耗可能將電池電壓降低到最低工作閾值之下。采用軟啟動和/或?qū)Σ煌娐纺K進(jìn)行軟件排序就能夠?qū)⑦@個問題最小化。

2． 只盯著峰值效率

　　由于用戶可調(diào)節(jié)背光亮度，因此需要考慮顯示屏背光預(yù)計(jì)會在大多數(shù)工作時間內(nèi)的驅(qū)動器效率。評估驅(qū)動器的效率時，需要考慮LED預(yù)計(jì)的工作條件、電池電壓范圍和正向電壓變化。電感型驅(qū)動器擁有更佳的峰值效率，對輸入和輸出電壓變化也有更大的容限。

3． 忽視外部元件選擇

　　在所有設(shè)計(jì)案例中，都應(yīng)該考慮采用低的等效串聯(lián)電阻(ESR)X5R或X7R陶瓷電容使損耗降到最低。同樣在電感型案例中，(若有外部的)肖特基整流器的正向電壓降和電感的ESR會影響效率。舉例來說，使用帶有0.3Ω ESR的電感來以20mA電流驅(qū)動5個串聯(lián)的LED時，效率會比帶1.3Ω ESR的電感高5%。當(dāng)然，這并不是沒有代價的，因?yàn)殡姼械腅SR越低，提供相同電感值所對應(yīng)的尺寸越大。所幸的是，如今也有許多新型的小尺寸電感器，它們?nèi)菰SLED驅(qū)動器置于顯示器的下面。