用于多顯示屏背光照明的多用途白光LED驅(qū)動器

2004年10月B版

引言
今年，預(yù)計全球?qū)⑸a(chǎn)超過 6 億部蜂窩電話。這些蜂窩電話不僅是人們的通話工具，現(xiàn)今最新型的蜂窩電話還可用來瀏覽 Web、無線傳輸電子郵件、拍照甚至收看流式視頻。消費者對這些“豐富功能”的需求給電話制造商們帶來了越來越大的壓力，它們必須把這些功能放進越來越小的電話中，同時還要保證電池的使用時間。
從圖 1 所示的方框圖中很容易理解，功能越多就需要在不同的功率級有更多的低壓輸出軌。而且，為多個顯示屏提供背光照明以及驅(qū)動多種“指示”燈的需求也在增加。例如，手機具有一個主顯示器以用來觀看文本、圖形或照片，一個副顯示器來顯示時間、日期或來電號碼，一個用作照相機閃光燈或為視頻捕捉而置于手電筒模式的白光 LED，以及一個照相機在使用時發(fā)出紅光的 LED，這種情況并不罕見。

凌特公司電源業(yè)務(wù)部產(chǎn)品市場經(jīng)理 Tony Armstrong

圖1   最新型蜂窩電話方框圖凌特公司電源業(yè)務(wù)部產(chǎn)品

圖2     配置成驅(qū)動4個顯示屏的LTC3206

為什么選擇白光 LED？
白光發(fā)光二級管(LED)與 CCFL 和電致發(fā)光背光照明器件相比，具有更長的壽命和更低的功耗。大多數(shù) LED 廠商都表示其產(chǎn)品在標(biāo)稱工作條件下具有 10 萬小時的使用壽命，電源輸入到光輸出的效率可高于 80%。自從 1993 年首次發(fā)布藍光 LED(波長為470nm)以來，從紫外光到黃光的不同顏色基于氮化物 LED 使 LED 的應(yīng)用日趨豐富。不過，只是在最近五、六年的時間里，器件制造商才開發(fā)出可生產(chǎn)白光 LED(波長為 430〜700nm)所需的化學(xué)方法和工藝技術(shù)。一般的白光LED具有 15〜20mA 的標(biāo)稱驅(qū)動電流，典型正向壓降為2.7〜4.0V。對于大多數(shù)照明系統(tǒng)來說，需要一個 LED 陣列來提供全部所需光強，因此在任何驅(qū)動器設(shè)計中都必須考慮 LED 亮度的準(zhǔn)確性和匹配問題。
與此同時，在過去的一段時間里，小型彩色有源矩陣 TFT 液晶顯示器(LCD)在蜂窩電話中的使用量一直在激增。這些LCD 用來顯示各種文本數(shù)據(jù)以及圖像和照片。這些顯示器需要小型緊湊和高效的解決方案來驅(qū)動為其提供背光照明的白光 LED。直到最近，這些需求相互之間一直有些矛盾，不過，最近出現(xiàn)的一些產(chǎn)品使設(shè)計人員們有了高性能背光照明技術(shù)的選擇。兩種最佳的解決方案是采用低噪聲無電感器型 DC/DC 轉(zhuǎn)換器(更常見的叫法是電荷泵(charge pump))或采用升壓型 DC/DC 轉(zhuǎn)換器。這兩種方案之間的主要區(qū)別在于是否需要電感器(磁體)以及 LED 是串聯(lián)還是并聯(lián)。LED背光驅(qū)動器的最佳架構(gòu)是取決于每個應(yīng)用的具體需求和限制條件。

一種理想的白光 LED 多顯示屏驅(qū)動器
因為很多蜂窩電話都處于“空間受限環(huán)境”，那么電荷泵多顯示屏驅(qū)動器就成為這類小至中負載電流必須充足而且一定為多個顯示屏供電應(yīng)用環(huán)境之極佳選擇。而且，電荷泵具有低的高度、小的解決方案占板面積和高轉(zhuǎn)換效率，以延長電池使用時間及實現(xiàn)一個不高的成本。不過一般的電荷泵 IC 可能有噪聲，而且效率也不高。例如，門控振蕩器電荷泵設(shè)計簡單，實現(xiàn)成本低，但是在輸入和輸出端都產(chǎn)生幾乎不可能濾掉的低頻噪聲。在電源輸入端產(chǎn)生的噪聲能干擾無線應(yīng)用中的射頻(RF)發(fā)送和接收。在輸出端的噪聲能耦合進靈敏的電路，甚至產(chǎn)生聽得見的噪聲。為了解決這些噪聲問題，設(shè)計人員們不得不增加一些笨重且昂貴的濾波器。不過，凌特公司的 LTC3206 采用了一種改進的電荷泵解決方案。LTC3206 是高度集成的多顯示屏LED控制器，其包含有高效率、低噪聲分數(shù)(fractional)升壓/直接連接電荷泵。
LTC3206 是一種高度集成的多顯示屏 LED 控制器，可同時為主、副白光 LED 顯示屏以及RGB 彩色 LED 顯示屏供電。LTC3206 僅需要 4 個細小的陶瓷電容器和兩個電阻就可以形成一個完整的 3 顯示屏 LED 電源和電流控制器。
主、副顯示屏和 RGB 顯示屏的最大電流獨立設(shè)定，而每個 LED 的電流由一個內(nèi)部電流源控制。所有顯示屏的調(diào)光和導(dǎo)通/關(guān)斷控制都通過一個 I2C 串行接口實現(xiàn)。兩個輔助LED 引腳可以獨立地分配給主顯示屏或副顯示屏，增加了設(shè)計的靈活性。主、副顯示屏的調(diào)光范圍都是 128:1，而每個紅、綠和藍光 LED 都具有 16 種調(diào)光狀態(tài)，從而產(chǎn)生 4096 種顏色組合。另外，為了滿足大電流照相機閃光燈的需求，LTC3206 還能通過電荷泵(CPO引腳)的輸出提供高達 400mA 的持續(xù)電流，并能提供高達 800mA 的峰值電流。
LTC3206 通過標(biāo)準(zhǔn) I2C 兩線接口與主器件通信。該 I2C 端口以高達 400kHz 的速度工作，并具有內(nèi)置定時延時，以確保當(dāng)從一個符合 I2C 標(biāo)準(zhǔn)的主控設(shè)備進行尋址時能夠進行正確工作。LTC3206 是一個只接收型(從屬)器件。
為了使噪聲最小，LTC3206 采用了恒定頻率電流調(diào)節(jié)技術(shù)，以確保浮動電容器的電荷和放電電流剛好足夠提供負載電流。該電荷泵工作在兩個相位，在每個時鐘相位上電流幾乎保持恒定，從而確保無音頻成份。
為了獲得最佳的效率，LTC3206 的電源管理部分提供兩種向 CPO 引腳供電的方法：直接連接模式下的 1:1 或升壓模式下的 1.5x。當(dāng)用 LTC3206 啟動任何顯示屏?xí)r，電源管理系統(tǒng)用一個低阻抗開關(guān)把 CPO 引腳直接連接到 VIN。如果在 VIN 提供的電壓足夠高以恰當(dāng)?shù)木幊屉娏鳛樗?LED 供電，那么該系統(tǒng)將在這種“直接連接”模式下提供最高效率。內(nèi)部電路對所有電流源進行監(jiān)視以發(fā)現(xiàn)“壓降”的開端，在這點的電流源不能再提供編程電流。隨著電池電壓下降，具有最大正向電壓的LED 將首先達到壓降門限。當(dāng)任何啟動工作的電流源達到壓降門限時，LTC3206 就會切換到升壓模式，并自動軟啟動 1.5x 升壓電荷泵。
當(dāng)涉及效率和成本效益以驅(qū)動用于 LCD 和鍵盤背光照明以及 RGB 和照相機閃光照明的白光LED 時，設(shè)計人員現(xiàn)在可以做出明確選擇了。LTC3206 分數(shù)電荷泵可提供高效率、小占板面積、設(shè)計靈活性和低噪聲性能?！?/p>