白光LED驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

    最近幾年行動(dòng)電話、PDA等可攜式電子產(chǎn)品的液晶顯示器逐漸從黑白銀幕更換成彩色銀幕，由于液晶本身不會(huì)發(fā)光所以液晶顯示必需利用背光照明單元顯示銀幕的信息?？蓴y式電子產(chǎn)品的背光照明單元基于耗電性等考慮，因此白光LED正當(dāng)快速取代傳統(tǒng)燈泡，成為背光照明單元主要發(fā)光組件。為了使白光LED點(diǎn)燈必需使用高順向電壓VF 與順向電流 IF，尤其是背光照明單元的電流控制，對(duì)可攜式電子產(chǎn)品的電池動(dòng)作時(shí)間具有絕對(duì)性影響，因此本文將深入探討白光LED背光照明單元的動(dòng)作原理與驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)技巧。

LED的驅(qū)動(dòng)特性

圖1是一般穿透式彩色液晶顯示器的結(jié)構(gòu)，由圖可知LCD面板下方設(shè)有白光LED光照明單元，白光LED產(chǎn)生的光線經(jīng)由導(dǎo)光板的反射均勻擴(kuò)散射入LCD面板內(nèi)，提供彩色畫面給使用者讀取。 
 
圖1 穿透式彩色液晶顯示器的結(jié)構(gòu)
如圖2所示傳統(tǒng)背光照明單元的白光LED是并聯(lián)驅(qū)動(dòng)，由于白光LED的亮度因負(fù)載電抗RL的阻抗值使得電流 IF受到限制，也就是說(shuō)白光LED的亮度取決于電阻的阻抗值。然而白光LED的電壓 VF本身具有不同的波動(dòng)范圍，因此相同的電阻會(huì)使白光LED的亮度產(chǎn)生分布不均現(xiàn)象。 
 
圖2 傳統(tǒng)背光照明單元的白光LED的驅(qū)動(dòng)方式
如上所述白光LED的亮度若不相同時(shí)，背光照明單元的光線就會(huì)有所謂的照明不均問題，雖然使用電氣特性相同的LED可以改善亮度不均的困擾，不過(guò)實(shí)際上卻無(wú)法對(duì)LED廠商作如此要求。此外配合各LED的電氣特性，逐一調(diào)整負(fù)載電阻的阻抗值，事實(shí)上這種方式并非根本的對(duì)策。為了使流入LED的電流完全相同，所以將串聯(lián)方式改成圖3所示的串聯(lián)方式，如此一來(lái)即使LED的電壓具有不同的波動(dòng)值，由于流入各LED的電流ILED相同，因此各LED產(chǎn)生的輝度幾乎一致。
　
 
圖3 LED的串聯(lián)驅(qū)動(dòng)方式
　
每個(gè)白光LED最少需施加3.6V以上的驅(qū)動(dòng)電壓才能獲得預(yù)期的輝度，由圖3可知當(dāng)復(fù)數(shù)個(gè)白光LED串聯(lián)連接時(shí)，相對(duì)的必需等比例提高驅(qū)動(dòng)電壓。圖4是利用switching regulator IC NJM2360構(gòu)成白光LED驅(qū)動(dòng)電路，該電路是施加1.25V的電壓 VREF至INVIN端子藉此方式?jīng)Q定RL的阻抗值，也就是說(shuō)決定白光LED亮度的各LED電流 ILED可由下式求得: 
 
假設(shè)各LED的電流ILED為15mA， RL約為830Ω，三個(gè)3.6V白光LED的電壓VF并聯(lián)連接時(shí)，LED整體的驅(qū)動(dòng)電壓 VLED 為:

VLED=  VREF + NVF
     
       =  1.25 + 3x3.6
       =  12.05 (V)
N : 并聯(lián)連接的LED數(shù)量
　
 
圖4 利用switching regulator IC驅(qū)動(dòng)白光LED的電路

　
白光LED點(diǎn)燈時(shí)需要15MA的電流IF ，不過(guò)周圍很黑暗的環(huán)境時(shí)，往往不需作全開驅(qū)動(dòng)，此時(shí)可控制驅(qū)動(dòng)電流抑制LED的亮度，進(jìn)而降低LED的耗電量，這對(duì)使用電池的可攜式電子產(chǎn)品而言，乃是非常重要的節(jié)約電流技術(shù)。有關(guān)驅(qū)動(dòng)電流控制技術(shù)常用的方法是利用PWM信號(hào)作控制，該方法經(jīng)常被應(yīng)用在其它領(lǐng)域，例如馬達(dá)控制或是聲音信號(hào)處理等等。由于PWM信號(hào)可使switching regulator作ON/OFF，因此它可使LED的輝度穩(wěn)定化，同時(shí)還可以確保電池長(zhǎng)時(shí)間的動(dòng)作特性。由圖5可知周圍溫度一旦超過(guò) 500C，白光LED的容許順向電流會(huì)大幅降低，在此情況下如果施加大電流，很容易造成白光LED老化，為了減緩白光LED的老化速度，所以必需利用周圍溫度調(diào)整基準(zhǔn)電壓 VREF ，藉此減少電流的供給。

根據(jù)以上的說(shuō)明可歸納下列結(jié)論:

‧ 白光LED的電壓VF非常高。

‧ 電壓 VF本身具有波動(dòng)值。

‧ 衡時(shí)全開點(diǎn)燈會(huì)使白光LED的耗電量增加。

‧ 電源電壓變動(dòng)會(huì)影響白光LED的輝度。

為了使白光LED能穩(wěn)定點(diǎn)燈，且不受電壓VF 本身波動(dòng)值以及電源電壓變動(dòng)的影響，所以必需使用專門的白光LED驅(qū)動(dòng)器。
　
 
圖5 周圍溫度與容許順向電流的關(guān)系
白光LED的驅(qū)動(dòng)電路

‧基本驅(qū)動(dòng)電路
如圖6所示一般switching regulator是設(shè)法使feed back電壓VFB，與內(nèi)部基準(zhǔn)電壓VREF相等進(jìn)而控制電壓，因此決定白光LED亮度的電流ccc可由下式(1)求得。如果將周圍的亮度也列入輝度控制電路時(shí)，如圖6的白光LED驅(qū)動(dòng)電路就變成圖7所示的結(jié)構(gòu)。圖7的電路與圖6的電路最大差異點(diǎn)，是圖7的電路增加設(shè)置photo transistor Tr1、電阻R1 與R2voltage follower的OP增幅器(演算增幅器)IC1 ，此時(shí)流入Tr1輸出電壓VSENS與白光LED的電流ILED可用下式表示: 
 
換句話說(shuō)利用上式驅(qū)逐白光LED的場(chǎng)合，必需作下列調(diào)整作業(yè):

‧為獲得周圍亮度必需調(diào)整照度傳感器(sensor)的輸出電壓 VSENS。

‧利用輸出電壓 VSENS調(diào)整白光LED的亮度。
　

 
圖6 switching regulator構(gòu)成的基本LED驅(qū)動(dòng)電路
　
 
圖7利用周圍照度控制LED輝度的驅(qū)動(dòng)電路

　
‧利用PWM信號(hào)使switching regulator作ON/OFF的輝度控制電路

上述圖7的驅(qū)動(dòng)電路是在feed back電壓進(jìn)行輝度控制，相較之下圖8是利用PWM信號(hào)使switching regulator作ON/OFF控制輝度。圖中的EN端子是可使switching regulator作ON/OFF的端子，如果對(duì)EN端子施加PWM信號(hào)，白光LED會(huì)以某種速度作ON/OFF，進(jìn)而獲得控制輝度的預(yù)期效應(yīng)，這種情況必需設(shè)置可使photo transistor Tr1的輸出轉(zhuǎn)換成數(shù)字值的A-D轉(zhuǎn)換器(converter)，以及可從數(shù)字值產(chǎn)生PWM信號(hào)的電路。利用PWM信號(hào)控制白光LED ON/OFF的場(chǎng)合，流入白光LED的平均電流 ILED(avg)可用下式表示: 
　

 
　
　
 
圖8 利用PWM信號(hào)控制LED輝度的驅(qū)動(dòng)電路
　

‧白光LED專用驅(qū)動(dòng)電路

接著要介紹白光LED專用驅(qū)動(dòng)電路用NJU6502 IC。圖9是NJU6502 IC的電路方塊圖，NJU6502 IC除了switching regulator之外，還具備photo transistor輸入電路、A-D轉(zhuǎn)換器、PWM控制器，以及可從微控器(micro controller)設(shè)定內(nèi)部阻抗值與動(dòng)作模式的serial interface。PWM控制用電阻(resistor)共有8個(gè)，每個(gè)電阻都可任意 設(shè)成6位，各電阻可利用周圍照度亦即photo transistor產(chǎn)生的輸入電壓作選 擇，換句話說(shuō)輝度的控制可由64階段的其中任意8階段執(zhí)行，此外周圍照度亦可由微控器直接控制輝度。
　
 
圖9 NJU6052IC的電路方塊圖

　
‧NJU6052IC的應(yīng)用實(shí)例

由圖10可知NJU6052 IC除了可以作升壓與輝度控制之外，電路本身的外置組件非常少。NJU6052 IC的各組件參數(shù)(parameter)取決于下列條件:


‧負(fù)載阻抗RL 

由于內(nèi)部基準(zhǔn)電壓 VREF為0.6V，因此負(fù)載阻抗RL可利用流入LED的電流ILED以及下式求得: 
 

‧內(nèi)部振蕩器的電容量Cx

內(nèi)部振蕩器的電容量Cx可利用圖11的坐標(biāo)圖求得。由于振蕩頻率fOSC 介于350kHz～500kHz之間，因此內(nèi)部振蕩器的電容量Cx 約為47pF～68Pf左右。

‧L1的電感值(inductance)

L1的電感值(inductance)可用下式求得:
　
 

‧二極管的選用

由于二極管是用于switching regulator，因此選用時(shí)必需注二極管的定格電流與逆向耐壓裕度。此外順向電壓越低，switching的速度越快，電力轉(zhuǎn)換效率就越高，因此可選用shot key barrier二極管。
‧pass control的選用
輸入端可選用積層陶瓷積層陶瓷電容器，而且組裝時(shí)盡量設(shè)于IC附近。此外輸出端基于抑制波紋(ripple)電壓等考慮，因此建議選用低ESR的電容。雖然輸出端也可以使用積層陶瓷電容器，不過(guò)必需注意的是如果電容量太大時(shí)放電時(shí)間會(huì)變長(zhǎng)，進(jìn)而造成與PWM信號(hào)的duty比成一定比例的調(diào)光控制無(wú)法進(jìn)進(jìn)行。

　
 
圖10 利用NJU6052KN1 IC構(gòu)成白光驅(qū)動(dòng)電路
　
 
圖11 Cx與fOSC  的關(guān)系
結(jié)語(yǔ)
以上介紹有關(guān)可攜式電子產(chǎn)品的液晶顯示器用白光LED的驅(qū)動(dòng)技術(shù)，白光LED專用的驅(qū)動(dòng)IC可使驅(qū)動(dòng)電路獲得小型、高點(diǎn)燈效率等特性，進(jìn)而使可攜式電子產(chǎn)品的電池延長(zhǎng)動(dòng)作時(shí)間。