背光驅(qū)動(dòng)電路的選擇策略和應(yīng)用介紹

越來(lái)越多的便攜式消費(fèi)電子產(chǎn)品配備了彩色顯示屏，例如手機(jī)、數(shù)碼相機(jī)、PDA、MP3、PMP播放器等，其中手機(jī)又占據(jù)了這個(gè)市場(chǎng)的絕大部分份額，從而導(dǎo)致了這兩年來(lái)中小尺寸顯示屏產(chǎn)業(yè)鏈的飛速發(fā)展。根據(jù)應(yīng)用的不同，顯示屏?xí)胁煌姆N類，例如TFT-LCD、CSTN-LCD以及OLED顯示屏，從市場(chǎng)的應(yīng)用看，OLED顯示屏只是在折疊式手機(jī)的副屏以及MP3的市場(chǎng)上占有一定的份額，而市場(chǎng)的主流依然是TFT和CSTN，這兩種類型的LCD屏占據(jù)了現(xiàn)有的中小尺寸顯示屏出貨量的絕大部分。本文重點(diǎn)就中小尺寸的LCD顯示屏的背光驅(qū)動(dòng)解決方案作一個(gè)分析介紹。

圖1：一種典型的串聯(lián)驅(qū)動(dòng)電路。

背光驅(qū)動(dòng)的技術(shù)分析

LCD顯示屏自身并不發(fā)光，為了可以清楚地看到LCD顯示屏的內(nèi)容，需要一定的白光背光源。在中小尺寸LCD顯示屏中，一般采用白光LED作為顯示屏的背光源。白色LED背光電源由數(shù)個(gè)白光LED組成，如手機(jī)、數(shù)碼相機(jī)一般僅需要2到3個(gè)白光LED，而PDA和PMP則根據(jù)其顯示屏的面積，可能需要3到6個(gè)LED。對(duì)背光驅(qū)動(dòng)電路的要求是：

1. 滿足背光的亮度要求；

2. 整個(gè)顯示屏亮度均勻(不允許有某一部分較亮、另一部分較暗的情況)；

3. 亮度可以方便地調(diào)節(jié)；

4. 驅(qū)動(dòng)電路占PCB空間要?。?

5. 工作效率高；

6. 綜合成本低；

7. 對(duì)系統(tǒng)其它模塊干擾小。

根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)合不同，系統(tǒng)設(shè)計(jì)者關(guān)注的重點(diǎn)可能會(huì)有所差別,例如對(duì)于低成本的產(chǎn)品方案，可能會(huì)把整個(gè)驅(qū)動(dòng)電路的成本放在第一位；對(duì)于手機(jī)應(yīng)用，白光驅(qū)動(dòng)電路對(duì)其他模塊是否會(huì)產(chǎn)生EMI干擾則是要重點(diǎn)考慮的因素；而在MP3應(yīng)用中，又有可能對(duì)EMI干擾不太關(guān)心。

圖2：一種LED開路保護(hù)電路。

白光LED驅(qū)動(dòng)器基本上有兩種驅(qū)動(dòng)方式：1. 采用電感升壓式DC/DC升壓變換的原理來(lái)驅(qū)動(dòng)，所有的LED串聯(lián)接在一起，一般也叫做串聯(lián)型驅(qū)動(dòng)方式；2. 采用升壓式電荷泵驅(qū)動(dòng)電路，所產(chǎn)生的電壓一般在5V/4.5V或者是根據(jù)LED的正向?qū)妷憾赃m應(yīng)確定的一個(gè)電壓，所有的LED并聯(lián)在一起，一般也叫做并聯(lián)型驅(qū)動(dòng)方式。

串聯(lián)驅(qū)動(dòng)電路

從技術(shù)發(fā)展的角度看，串聯(lián)型驅(qū)動(dòng)出現(xiàn)的比較早，技術(shù)上也比較成熟。以啟攀微電子的CP2126為例，典型的串聯(lián)型驅(qū)動(dòng)電路如圖1所示。

以CP2126為例，一般而言，采用串聯(lián)方式使流過(guò)每一個(gè)LED的電流都一樣，則發(fā)光的均勻性好；同時(shí)由于其升壓原理，所產(chǎn)生的電壓依賴于LED導(dǎo)通指定電流時(shí)所需要的電壓，反饋電壓CS內(nèi)部設(shè)定為95mV，可以計(jì)算出當(dāng)需要15mA的LED電流時(shí)，R1的值應(yīng)該為：

無(wú)論是驅(qū)動(dòng)2個(gè)LED還是多達(dá)5個(gè)LED，都可以通過(guò)改變R1的電阻值靈活地設(shè)定LED的亮度，在SHDN引腳施加一定占空比的PWM控制信號(hào)，可以使LED的亮度從不亮到滿亮度之間無(wú)級(jí)變化。

圖3：兩倍電荷泵驅(qū)動(dòng)電路。

在CP2126的設(shè)計(jì)中注意了兩個(gè)問(wèn)題：

1. 避免了EMI的干擾問(wèn)題

CP2126避免了一般的串聯(lián)型LED驅(qū)動(dòng)電路中電感和大電流開關(guān)所產(chǎn)生的EMI干擾問(wèn)題，對(duì)于諸如MP3、PMP之類的應(yīng)用場(chǎng)合，這個(gè)問(wèn)題可能影響不大，但是在手機(jī)應(yīng)用中，EMI干擾會(huì)造成手機(jī)的接收靈敏度變差。CP2126通過(guò)優(yōu)化內(nèi)部電路的設(shè)計(jì)，避免了這個(gè)問(wèn)題。表1對(duì)比了兩款串聯(lián)驅(qū)動(dòng)芯片在相同的應(yīng)用情況下，對(duì)手機(jī)接收靈敏度的影響。

可以看到，CP2126的工作與否對(duì)手機(jī)接收靈敏度的指標(biāo)幾乎沒有影響，而芯片X在工作時(shí)，由于EMI的干擾造成了手機(jī)接收靈敏度的下降。同時(shí)，CP2126在輸入3.6V驅(qū)動(dòng)3個(gè)白光LED的典型應(yīng)用情況下，可以達(dá)到83%的轉(zhuǎn)換效率。

PCB設(shè)計(jì)也會(huì)對(duì)電路性能有比較大的影響。一般而言高頻部分的走線應(yīng)該盡可能的短而粗，對(duì)地的過(guò)孔盡可能的大而多，在CP2126的相關(guān)資料中對(duì)此都有比較詳細(xì)的說(shuō)明。

2. 內(nèi)置輸出開路保護(hù)電路

在應(yīng)用中，有可能出現(xiàn)LED的開路故障情況，在這種情況下，由于CS引腳的反饋電壓始終為0，如果沒有保護(hù)電路，這種升壓型的電路就會(huì)一直升壓直到內(nèi)部的開關(guān)管被擊穿而損壞。所以，沒有內(nèi)置開路保護(hù)電路的芯片會(huì)要求外部增加一個(gè)齊納二極管，利用它的擊穿來(lái)保護(hù)內(nèi)部的開關(guān)管。保護(hù)電路如圖2所示。

圖4：混合模式控制原理圖。

顯而易見，這樣的保護(hù)電路又增加了系統(tǒng)的成本和PCB的面積，另一種保護(hù)方式是增加一個(gè)引腳，采用如SOT23－6L的封裝，對(duì)VOUT的電壓采樣并進(jìn)行檢測(cè)。CP2126的設(shè)計(jì)可以保證外圍應(yīng)用電路無(wú)須做任何改動(dòng)，在LED開路的情況下芯片依然不被損壞，當(dāng)故障狀態(tài)解除后，芯片又可以正常工作。

并聯(lián)驅(qū)動(dòng)電路

雖然串聯(lián)驅(qū)動(dòng)電路具備了效率高的優(yōu)點(diǎn)，但是整體的解決方案需要一個(gè)電感和一個(gè)肖特基二極管，這又額外增加了系統(tǒng)成本，使得最終的綜合成本和并聯(lián)相比，并不一定有優(yōu)勢(shì)。同時(shí)，貼片電感的體積較大，一般有5.2×5.2mm2大小，同時(shí)還有可能產(chǎn)生EMI干擾。

固定模式并聯(lián)驅(qū)動(dòng)電路

早期的并聯(lián)驅(qū)動(dòng)電路只是解決了LED所需要的電壓?jiǎn)栴}，它把電池電壓統(tǒng)一通過(guò)電荷泵的方式升壓到5V或者4.5V的這樣一個(gè)固定的電壓，然后每一個(gè)LED通過(guò)串聯(lián)一定的電阻阻值來(lái)控制LED的電流。

電荷泵電路的一個(gè)基本缺點(diǎn)在于，在給定的輸出電壓要求情況下，隨著輸入電壓的變化，轉(zhuǎn)換效率變化很大，理論上，兩倍電荷泵電路所能達(dá)到的最高效率為：

例如，當(dāng)VIN=3.1V，VOUT=5V時(shí)，效率可以達(dá)到83.3%，由于內(nèi)部器件的損耗，一般也可以達(dá)到80%以上。但是，當(dāng)VIN=4.2V,VOUT=5V時(shí)，理論效率最高就只有59.5%。

圖5：CP2130/1/3的工作效率圖。

從圖3中可以看到，CP2128外圍元件只需要三個(gè)電容，根據(jù)驅(qū)動(dòng)LED燈的數(shù)目的不同，需要1到5個(gè)電阻，和串聯(lián)驅(qū)動(dòng)電路相比，雖然具有效率不高的缺點(diǎn)，但是外圍元件的成本和所占PCB面積都比較小，還可以說(shuō)是一個(gè)成本相當(dāng)?shù)偷慕鉀Q方案。

混合模式并聯(lián)驅(qū)動(dòng)電路

為了能夠和串聯(lián)驅(qū)動(dòng)相抗衡，并聯(lián)驅(qū)動(dòng)電路要重點(diǎn)解決兩個(gè)問(wèn)題：一個(gè)是效率，一個(gè)是電流匹配。為了提高效率，非常有必要引入新的工作模式。在這種情況下，驅(qū)動(dòng)電路所產(chǎn)生的輸出電壓不再是一個(gè)固定值，而是一個(gè)適當(dāng)并且可以驅(qū)動(dòng)LED的電壓值。

一般來(lái)說(shuō)，白光LED在工作電流為20mA時(shí)，正向?qū)妷阂话阍?.1~3.5V左右。鋰電池的額定電壓為3.6V或3.7V，充滿電后的電壓一般在4.2V~4.3V，鋰離子電池允許深度放電到2.7V，但是在實(shí)際應(yīng)用中，一般手機(jī)設(shè)置的強(qiáng)制關(guān)機(jī)電壓為3.6V左右(不同整機(jī)廠商設(shè)定的強(qiáng)制關(guān)機(jī)電壓可能不同)。在電池充滿電后，這個(gè)電壓足以直接驅(qū)動(dòng)LED，在這種情況下，電荷泵電路不工作，電池的電壓通過(guò)一個(gè)開關(guān)直接到VOUT然后驅(qū)動(dòng)LED。而隨著電池的放電，電池電壓會(huì)逐步降低，當(dāng)降低到一定程度不足以直接驅(qū)動(dòng)LED時(shí)，電荷泵電路開始工作。所以集成多種驅(qū)動(dòng)模式成為背光驅(qū)動(dòng)的主流解決方案，即所謂集成1倍模式和1.5倍模式，并且在盡可能的情況下，讓電路工作在1倍的直通模式下。啟攀新推出的CP2130/1/3，很好的解決了這兩個(gè)問(wèn)題。其中CP2130可以最多驅(qū)動(dòng)5個(gè)LED，CP2131可以最多驅(qū)動(dòng)3個(gè)LED，CP2133可以最多驅(qū)動(dòng)4個(gè)LED。圖4為混合模式控制原理圖。

圖6：一種典型的混合模式驅(qū)動(dòng)電路。

同樣，對(duì)于系統(tǒng)應(yīng)用而言，最關(guān)心的指標(biāo)仍是效率和LED電流匹配度。所謂效率，盡可能地工作在1倍模式能夠顯著提高整個(gè)電池工作電壓范圍的電源轉(zhuǎn)換效率。

1. 效率

對(duì)于關(guān)注的效率問(wèn)題，CP2130/1/3實(shí)現(xiàn)了兩種工作模式自適應(yīng)動(dòng)態(tài)切換(即根據(jù)電池電壓和LED實(shí)際導(dǎo)通壓降判斷)，而不是固定電壓點(diǎn)切換(即只考慮電池電壓)，從而顯著提高了效率。只要電池電壓比LED的工作電壓高350mV至550mV(根據(jù)EN1和EN2的引腳設(shè)定不同而不同)時(shí)，CP2130/1/3就可以工作在相對(duì)效率較高的一倍模式下。

圖5所示為典型應(yīng)用情況下CP2130/1/3的工作效率?？梢钥吹叫矢鶕?jù)工作模式的不同，是一個(gè)兩段的折線圖，80％的電池能量在3.6V~4.1V之間，在這個(gè)電壓范圍內(nèi)可以獲得平均80%以上的工作效率。

2. 電流匹配度

和串聯(lián)驅(qū)動(dòng)相比，并聯(lián)驅(qū)動(dòng)要解決的一個(gè)重要問(wèn)題就是各個(gè)LED間的電流匹配，由于LED的發(fā)光亮度是和它的工作電流相關(guān)的，不一樣的電流會(huì)導(dǎo)致顯示屏的亮度不均勻。對(duì)于并聯(lián)驅(qū)動(dòng)的LED，在實(shí)際應(yīng)用中，LED由于批次的不同和個(gè)體差異，在同樣工作電流情況下的正向?qū)▔航挡煌赡軙?huì)有50mV~200mV左右的電壓差值，這要求在設(shè)計(jì)內(nèi)部的電流控制電路時(shí)需要考慮到這個(gè)差異。CP2130/1/3采用申請(qǐng)了國(guó)家專利保護(hù)的Auto-Mirror技術(shù)，可以使得各并聯(lián)白光LED電流匹配度幾乎不隨白光LED導(dǎo)通壓降的差別而變化。即使導(dǎo)通壓降差在50mV~200mV之間，LED的電流匹配度仍然可以達(dá)到2%以內(nèi)。

圖6是一種典型應(yīng)用情況，CP2130/1/3采用QFN 3*3mm² 16引腳的封裝，同時(shí)外圍元件相當(dāng)簡(jiǎn)單，只需要4個(gè)電容。

3. 支持PWM調(diào)光

目前調(diào)光方式主要有兩種，一種是通過(guò)改變LED的直流工作電流的方式來(lái)調(diào)整亮度，例如，有的芯片通過(guò)設(shè)置內(nèi)部的寄存器來(lái)直接設(shè)置LED的直流工作電流，從而達(dá)到不同的亮度級(jí)，這種方式的缺點(diǎn)是可能會(huì)產(chǎn)生色移。所謂白光LED，其實(shí)是利用一種作為其管芯的藍(lán)光ＬＥＤ所發(fā)出的短波長(zhǎng)紫藍(lán)光，激發(fā)涂布于輸出光學(xué)透鏡內(nèi)壁的熒光材料，進(jìn)而產(chǎn)生波譜較寬的白色復(fù)合光。在非額定電流工作情況下，LED所產(chǎn)生的光譜會(huì)有變化，導(dǎo)致最終的白光有色移。

表1：LED驅(qū)動(dòng)電路對(duì)手機(jī)信號(hào)接收靈敏度影響的對(duì)比測(cè)試

而另一種方式就是PWM調(diào)光，利用人眼的視覺暫停原理，以一定的頻率和占空比來(lái)周期性的控制白光LED的導(dǎo)通電流在零電流到額定工作電流之間來(lái)回切換，從而調(diào)整亮度，這種調(diào)光方式就不會(huì)產(chǎn)生色移。在應(yīng)用時(shí)，為了確保人眼看不到LED周期亮滅的情況，PWM調(diào)光的頻率一般要大于100Hz，CP2130/1/3可以支持0~50kHz的調(diào)光頻率范圍，這樣大大方便了系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。并且由于芯片優(yōu)越的環(huán)路控制特性，保證了調(diào)光過(guò)程的平穩(wěn)，消除了可能潛在的噪聲干擾。

同時(shí)對(duì)于第一種調(diào)光方法，CP2130/1/3也設(shè)置了滿量程、2/3量程和1/3量程三個(gè)電流等級(jí)來(lái)實(shí)現(xiàn)直流調(diào)光方式。

本文小結(jié)

本文對(duì)比介紹了目前常用的兩種背光驅(qū)動(dòng)解決方案。串聯(lián)驅(qū)動(dòng)電路具備效率高的優(yōu)點(diǎn)，但是外圍元件比較多，而并聯(lián)驅(qū)動(dòng)電路經(jīng)過(guò)不斷的發(fā)展，已經(jīng)由最初單純的兩倍電荷泵模式電壓控制型電路變成自適應(yīng)模式選擇加電流控制的電路。這樣的電路具備了外圍元件數(shù)目少，綜合成本低的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)也避免了串聯(lián)驅(qū)動(dòng)電路通?？赡苡械腅MI干擾問(wèn)題。目前，并聯(lián)驅(qū)動(dòng)電路的方案已經(jīng)越來(lái)越多，逐步成為背光驅(qū)動(dòng)電路的主流方案。