如何選擇基于手機的高性能白光LED驅動器

前言

目前手機彩屏背光主要采用白光LED（WLED），WLED 驅動器的功能就是要向WLED 提供恒定電流，減少電池電壓變化時所引起LED 亮度的變化以及不同LED 之間的亮度不匹配。這樣的WLED 驅動器隨著時間的不同，不同的架構先后在手機中得到了大規(guī)模的應用。從2003～2005 年，在手機中流行使用的是電感升壓型WLED 驅動器；2005～2007 年大規(guī)模使用的是分數(shù)電荷泵型WLED 驅動器；到2007 年初嶄露頭角、2008 年逐步流行的低壓降恒流型WLED 驅動器，經(jīng)歷了一系列的發(fā)展歷程。如何選擇合適的WLED 驅動器？下面將逐步分析，以便從WLED 驅動器演變的過程中去尋找合適架構的LED 驅動器。

串聯(lián)電感升壓型WLED 驅動器架構

如圖1 所示，串聯(lián)電感升壓型WLED 驅動器比較方便的通過一個電阻就設定了一串WLED的工作電流。但是它的最大問題在于：由于使用了電感來進行升壓（boost），電感是通過把電能轉換成磁能來儲存能量的，在工作過程中，不停的進行電磁轉換、這樣就可能產(chǎn)生電磁輻射和電磁干擾，從而影響手機中的射頻模塊工作。例如：手機的接受靈敏度指標可能在背光模塊工作時受到影響而下降，這樣在基站信號不強的區(qū)域，背光模塊的工作可能會導致通話質量的下降，導致用戶對手機品質的抱怨。

圖1：串聯(lián)電感升壓型LED驅動器典型應用圖

分數(shù)電荷泵型WLED 驅動器架構

2005 年開始，手機中逐步流行分數(shù)電荷泵WLED 驅動器，其基本架構如圖2：

圖2：分數(shù)電荷泵WLED驅動器典型應用圖

通常這種分數(shù)電荷泵型WLED 驅動器都是多模式的，可以自動根據(jù)WLED 的正向導通壓降（VF）和電源電壓，來自動決定驅動器所需要的工作模式，比如，當WLED 的VF為3.3V時，電池電壓在3.8V 以上，通過內(nèi)部的模式判斷電路，驅動器可以停留在1X 工作模式下，當電池電壓下降到不足以維持WLED 的設定電流時，通過電荷泵達到升壓增強驅動能力的目的。

這種分數(shù)電荷泵型WLED 驅動器的好處在于：消除了電感，減少了對手機射頻電路的干擾，用廉價的電容儲能來代替電感儲能，外圍元件的成本也進一步降低。這種芯片的封裝一般為QFN3mm×3mm 16L 的封裝。

分數(shù)電荷泵型WLED 驅動器的工作有一個特點：在理想情況下，輸出80mA 的驅動電流時，當工作在1X 模式下，電源消耗電流的為80mA（考慮到芯片內(nèi)部其他電路的消耗，電流一般小于81mA）；當工作在1.5X 模式下，電源消耗的電流突變?yōu)?20mA（考慮到芯片內(nèi)部其他電路的消耗以及開關損耗，電流一般在123mA 左右），當工作在2X 模式下，電源消耗的電流突變?yōu)?60mA。因此，從分數(shù)電荷泵型WLED 驅動器的效率曲線上，通常會看到一個或者兩個突變點。因此，對于分數(shù)電荷泵型WLED 驅動器，如何盡可能降低模式切換時所對應的電源電壓，延長驅動器在1X 模式下的工作時間，才是提升整體效率的關鍵。例如：圖3 所示的分數(shù)電荷泵型WLED 驅動器，在電源電壓低于3.75V 時就要退出1X 工作模式，因此，它最終所表現(xiàn)出來的整體效率和一個電源電壓低到3.5V 才退出1X 模式的電荷泵型WLED 驅動器整體效率會有很大的差別。

圖3：分數(shù)電荷泵型WLED驅動器效率折線圖

圖4：分數(shù)電荷泵型WLED驅動器電源電流和工作模式關系

低壓降恒流型WLED 驅動器架構

隨之發(fā)光LED 的工藝改進，WLED 的正向導通壓降在下降。圖5 為2006 年一款Nichia公司NSSW100CT WLED 的I-V 曲線，從圖中可以看出提供20mA 電流的WLED VF 僅為3.2V左右。目前，基本上手機中普遍用到的WLED 的正向導通壓降一般在3.0～3.2V 之間。

圖5：Nichia WLED I-V曲線

隨著WLED 的VF 持續(xù)下降，驅動WLED 是否還需要升壓？結合鋰離子電池的特性和實際應用的情況來分析這個問題。
目前手機使用的電池都是鋰離子電池，鋰離子電池的特點為額定電壓3.6V，充滿電后為4.2V。在手機工作時，電池不斷放電，電池電壓不斷下降，電池放電的電流不同，電壓下降的曲線速率也不同，一般來說，在電池電壓3.5V～4.2V 之間集中了90%的電池能量（如圖6）。

圖6：電池能量分布概圖

結合這種實際情況，一般手機的工作設置為當鋰離子電池放電到一定程度時，會通過軟件的設置為不能通話或者強行關機。深度放電對鋰離子電池的壽命會造成不可逆轉的損傷，因此關機電壓一般設置為3.5V 左右。而這時，如果考慮到WLED 的VF 在3.0V~3.2V之間，實際上驅動WLED 可以不再需要升壓。