本文將為設(shè)計(jì)人員介紹各種基于LED的背光照明設(shè)計(jì)方案選項(xiàng)，以及提供在考慮成本因素和各種設(shè)計(jì)方法利弊的前提下，如何優(yōu)化系統(tǒng)性能的指引。
LED正成為中小型彩色顯示器背光照明應(yīng)用的主流器件。LED的選擇是決定顯示子系統(tǒng)設(shè)計(jì)最佳性價(jià)比的關(guān)鍵因素。此外，LED驅(qū)動(dòng)IC，尤其是最新的產(chǎn)品，能與較低成本的LED協(xié)同工作，透過(guò)多種方法提升現(xiàn)有LED的性能 。除亮度控制外，這些驅(qū)動(dòng)IC還能實(shí)現(xiàn)精確的亮度匹配， 或允許使用一系列具備不同VF特性的LED。
LED驅(qū)動(dòng)電路
設(shè)計(jì)人員在決定便攜應(yīng)用中LED驅(qū)動(dòng)電路的最佳性價(jià)比時(shí)，可有幾種選擇，并取決于所設(shè)計(jì)系統(tǒng)的類型。某些系統(tǒng)側(cè)重于成本，某些注重性能，而大多數(shù)則講求必須達(dá)到成本和性能的平衡。系統(tǒng)設(shè)計(jì)的其中一個(gè)約束條件是可用電池功率和電壓，其它約束條件還包括功能特性，例如針對(duì)環(huán)境光線作出調(diào)整及建立LED的架構(gòu)（串連、并連或矩陣）。
作為生產(chǎn)工藝的一部分，LED可根據(jù)不同參數(shù)進(jìn)行篩分，包括正向電壓及特定正向電流時(shí)的色度和亮度。舉例說(shuō)，白光LED的正向電壓范圍通常為3.5V 至4V，典型工作電流為15mA 至20mA。當(dāng)多個(gè)LED在一個(gè)背光照明設(shè)備應(yīng)用時(shí)，這些LED通常都會(huì)進(jìn)行匹配，以產(chǎn)生均勻的亮度。因此，LED制造商所提供經(jīng)“差異篩選”或匹配的LED，在某個(gè)特定電壓范圍內(nèi)其VF或其它參數(shù)都是匹配的。這些VF 差異通常為3.5~3.65V、3.65 ~3.8V ，以及 3.8~4.0V。
一般來(lái)說(shuō)，LED的VF值是系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重要變數(shù)。因?yàn)橛善胀姵毓╇姷谋銛y產(chǎn)品如蜂窩電話所使用單一的鋰離子電池，其電壓范圍為2.7 至 4.2 V。如果將系統(tǒng)對(duì)電池工作電壓的要求設(shè)計(jì)為不低于3V，設(shè)計(jì)人員就可以直接使用低至3V且未經(jīng)穩(wěn)壓的電池電壓來(lái)驅(qū)動(dòng)LED。
其它經(jīng)匹配的差異級(jí)別包括發(fā)光強(qiáng)度和色度。色度決定顯示的顏色，大多與執(zhí)行設(shè)計(jì)所使用的半導(dǎo)體工藝有關(guān)。電氣工作條件對(duì)色度的影響很小。對(duì)于發(fā)光強(qiáng)度而言，篩選工藝可測(cè)量在給定正向操作電流下的發(fā)光強(qiáng)度。例如，QTLP601C-EB具有兩種發(fā)光強(qiáng)度差異級(jí)別：I1 的8-16 mcd和I2 的13-26 mcd ，以及三種主要波長(zhǎng)差異級(jí)別：W1 的 465-470 nm、W2的470-475 nm及W3的475-480 nm。所有差異級(jí)別都是通過(guò)5 mA正向電流測(cè)試下建立的。差異篩選工序會(huì)增添額外成本 。
使用LED驅(qū)動(dòng)IC優(yōu)化設(shè)計(jì)
目前，市面上已有能夠驅(qū)動(dòng)多個(gè)LED的驅(qū)動(dòng)IC，所提供的功能包括電壓提升以至驅(qū)動(dòng)多個(gè)串聯(lián)LED以便與每列包含一個(gè)或多個(gè)LED的多列LED進(jìn)行電流匹配。特定驅(qū)動(dòng)IC可提供獨(dú)立于LED VF的精確電流匹配，使用這類IC可省去VF差異篩選的有關(guān)費(fèi)用。另一項(xiàng)常用功能是亮度控制，有助于提供更多功能和改善電源管理。LED會(huì)消耗5-20 mA的電流。由于系統(tǒng)中有多個(gè)LED，故顯示照明部分的功耗占據(jù)系統(tǒng)總功耗的重要部分。因此，亮度控制是一項(xiàng)重要功能，會(huì)直接影響功耗。較低亮度意味著顯示背光照明的功耗較低。
多個(gè)LED的亮度匹配
將多個(gè)LED連接在一起使用時(shí)，正向電壓和電流均必須匹配，整個(gè)組件才能產(chǎn)生一致的亮度。實(shí)現(xiàn)恒定電流最簡(jiǎn)單的方法，便是將經(jīng)過(guò)正向電壓篩選的LED串聯(lián)起來(lái)。篩選工作可由LED供應(yīng)商進(jìn)行，以享有若干成本優(yōu)勢(shì)，又或可在用戶的制造場(chǎng)所完成，但會(huì)減少篩選的產(chǎn)量和增加組裝成本。篩選過(guò)程能夠按照設(shè)計(jì)人員的匹配要求建立已匹配產(chǎn)品的差異等級(jí)。
成本考慮
手持設(shè)備顯示器的照明通常需要4、6或8個(gè)LED驅(qū)動(dòng)；顯示器越大，所需LED的數(shù)量越多�？蓴y式手持設(shè)備如PDA便需使用較多的LED。隨著系統(tǒng)采用匹配LED的數(shù)量增加，有關(guān)成本也會(huì)因?yàn)樗璧牟町惡Y選工藝而相應(yīng)增加。在這情況下，驅(qū)動(dòng)IC提供了良好的解決方案。驅(qū)動(dòng)IC除能控制亮度外，還能全面地匹配亮度，因而可透過(guò)具成本效益的途徑提升系統(tǒng)性能。
最簡(jiǎn)單的驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)：串聯(lián)
串聯(lián)LED能確保供應(yīng)至各個(gè)器件的電流一致。由于LED的VF通常在3.3V或以上，現(xiàn)今普遍的方法是將電壓提升至12V以上水平，并驅(qū)動(dòng)串聯(lián)LED以獲得一致的亮度。這就是采用基于電感的DC/DC設(shè)計(jì)，而不是電荷泵，因?yàn)楹笳卟荒苡行У貙㈦妷禾嵘了璧碾娖�。圖1所示為驅(qū)動(dòng)4個(gè)串聯(lián)LED組件的典型驅(qū)動(dòng)IC電路，它具有從LED到驅(qū)動(dòng)電路的反饋功能和附加的調(diào)節(jié)電阻器，可以實(shí)現(xiàn)亮度調(diào)暗功能。
如果總體正向電壓VF為12V的4個(gè)LED與16V驅(qū)動(dòng)電路一起使用，就必須使用具有升壓功能的簡(jiǎn)單LED驅(qū)動(dòng)電路，以便為每個(gè)LED提供充足的電壓，這驅(qū)動(dòng)電路可將鋰離子電池的2.7至4.2 v電壓范圍提升至16至17 v，用來(lái)驅(qū)動(dòng)LED。這是傳統(tǒng)的解決方案。由于經(jīng)差異篩選LED的VF值存在一個(gè)變化范圍，LED之間的壓差會(huì)隨之變化，有可能影響亮度的均勻性。
LED驅(qū)動(dòng)IC選項(xiàng)
上面所述的亮度調(diào)暗是LED驅(qū)動(dòng)IC的重要新增功能，可通過(guò)驅(qū)動(dòng)電路為L(zhǎng)ED施加PWM調(diào)制脈沖，以獲得總功率的10~100%。此舉能節(jié)省功耗，同時(shí)也為最終產(chǎn)品提供用戶可調(diào)節(jié)的功能。如前所述，顯示器是損耗最多功率的子系統(tǒng)之一。例如，在16V電壓下電流為15~20 mA的白光LED，其功耗為240~320 mW。而LED驅(qū)動(dòng)電路的亮度調(diào)暗功能可降低整個(gè)系統(tǒng)的功耗，延長(zhǎng)電池壽命。
現(xiàn)有驅(qū)動(dòng)IC還具有其它功能特點(diǎn)， 包括軟起動(dòng)、短路保護(hù)，以及能將外圍部件數(shù)減至最少的LED驅(qū)動(dòng)電路。
并聯(lián)設(shè)計(jì)選項(xiàng)
并聯(lián)驅(qū)動(dòng)是下一步要實(shí)施的方案。在并聯(lián)設(shè)計(jì)中，多個(gè)LED由具備驅(qū)動(dòng)器決定的獨(dú)立電流電平的驅(qū)動(dòng)電路來(lái)驅(qū)動(dòng)。并聯(lián)設(shè)計(jì)基于低驅(qū)動(dòng)電壓，因此無(wú)需帶電感的升壓電路。此外，并聯(lián)設(shè)計(jì)提供低電磁干擾、低噪聲和高效率，因而能延長(zhǎng)電池壽命。另一個(gè)重要優(yōu)點(diǎn)是這種配置的容錯(cuò)性較強(qiáng)。在串聯(lián)設(shè)計(jì)中，一個(gè)LED發(fā)生故障就會(huì)導(dǎo)致整個(gè)背光照明子系統(tǒng)失效，而并聯(lián)設(shè)計(jì)可避免這種個(gè)嚴(yán)重缺陷，提高系統(tǒng)的容錯(cuò)性。
有源電流匹配并聯(lián)設(shè)計(jì)
現(xiàn)有兩種用于并聯(lián)配置的驅(qū)動(dòng)IC：一種是具匹配VF的LED驅(qū)動(dòng)IC；另一種是利用未匹配VF 的LED驅(qū)動(dòng)IC。
驅(qū)動(dòng)匹配的LED
圖2a中的電路使用具有內(nèi)部匹配電流源的LED驅(qū)動(dòng)IC，來(lái)驅(qū)動(dòng)并聯(lián)的匹配LED。驅(qū)動(dòng)IC在現(xiàn)有的3.3至5.5V總線電壓下運(yùn)行，LED的電流通過(guò)單一的外部電阻器來(lái)調(diào)節(jié)。由于不需要DC/DC轉(zhuǎn)換進(jìn)行升壓，故無(wú)需采用外部電感，因此電路的電磁干擾和紋波可達(dá)到最小。如果電源電壓穩(wěn)定且經(jīng)過(guò)穩(wěn)壓處理，VDD (VIN) 和Vcontrol便可連接在一起。最重要的是，無(wú)需為每個(gè)LED配備額外的電流設(shè)置電阻器來(lái)提高效率。如果有更高壓的穩(wěn)定電壓，此電路還能為額外的串聯(lián)LED提供匹配電流，但其電壓必須至少為0.3V +N*VF，如圖2b所示。
驅(qū)動(dòng)未匹配LED
為了驅(qū)動(dòng)未匹配的LED，并省去與差異篩選有關(guān)的成本，便需要使用可為每個(gè)LED提供獨(dú)立電流控制環(huán)路的IC。圖3所示為驅(qū)動(dòng)白光、藍(lán)光或任何多色LED的電路，并使用具有此項(xiàng)功能的IC來(lái)獲得均勻亮度。LED可擁有廣泛的VF分布，而驅(qū)動(dòng)IC將均勻地匹配各電流以獲得均勻的亮度，并可在現(xiàn)有的3.3至5V總線電壓下運(yùn)行。這些電路具有數(shù)字化亮度控制功能，由微處理器驅(qū)動(dòng)的PWM來(lái)實(shí)現(xiàn)，功效高（>90%），而且不產(chǎn)生電磁干擾和紋波。
高效電路
圖4所示為另一種使用未匹配白光LED的電路，可在通常無(wú)外升壓線路的設(shè)備中，如移動(dòng)電話使用。這個(gè)電路的驅(qū)動(dòng)IC具有內(nèi)置電荷泵升壓，直接用鋰離子電池驅(qū)動(dòng)多達(dá)4個(gè)并聯(lián)LED，并獲得均勻亮度。
電路中的驅(qū)動(dòng)IC會(huì)測(cè)量所有LED的VF，選出最高VF的LED，并將Vout提升至驅(qū)動(dòng)這個(gè)最大VF LED所需的最低電平。該IC可驅(qū)動(dòng)白光或藍(lán)光LED，并獲得均勻亮度。該電路可為每個(gè)LED提供獨(dú)立的電流控制環(huán)路，因而無(wú)需進(jìn)行LED預(yù)選或差異篩選。這是真正的數(shù)字化亮度控制（0、6、12、18mA），具有內(nèi)置DC/DC轉(zhuǎn)換的真正PWM控制，帶來(lái)低噪聲、低紋波和低電磁干擾。
矩陣設(shè)計(jì)：先進(jìn)的白光LED驅(qū)動(dòng)電路
矩陣設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)IC可為多個(gè)串聯(lián)電路提供獨(dú)立控制。采用高級(jí)LED驅(qū)動(dòng)芯片，就可使用未匹配的白光LED，而其升壓電路具有智能感應(yīng)功能，可將電壓提升至恰好足夠的水平，以驅(qū)動(dòng)具有最高總體VF壓降的白光LED串聯(lián)組件。這種自適應(yīng)輸出電壓功能可將電感的體積減至最小，以便節(jié)省成本和占位空間。由于升壓只提升至最低的電平，保證能滿足任何串聯(lián)信道所需的標(biāo)稱電流，因此能實(shí)現(xiàn)高效率。這串聯(lián)驅(qū)動(dòng)方案可以驅(qū)動(dòng)兩個(gè)獨(dú)立的LED組件，各有四個(gè)串聯(lián)LED，并具有獨(dú)立的亮度控制功能。
每個(gè)串聯(lián)信道具有獨(dú)立的亮度控制，而且升壓電路具有內(nèi)置肖特基二極管，無(wú)需外部二極管，從而節(jié)省了電路板空間。內(nèi)置升壓電路的功效不低于90%，有助延長(zhǎng)電池壽命，且具有軟件啟動(dòng)功能、低電磁干擾和極少紋波等特點(diǎn)。各信道獨(dú)立的LED控制使設(shè)計(jì)更為靈活，并只需一個(gè)驅(qū)動(dòng)器即可同時(shí)驅(qū)動(dòng)LCD和鍵盤(pán)。舉例說(shuō)，F(xiàn)AN5608驅(qū)動(dòng)IC帶有內(nèi)置數(shù)字/模轉(zhuǎn)換器(DAC)，具有模擬感應(yīng)功能，可讓用戶選擇使用模擬、數(shù)字或PWM方式控制亮度。該驅(qū)動(dòng)IC集成了溫度控制功能，可將LED使用壽命提高達(dá)50%。
根據(jù)應(yīng)用選擇合適的設(shè)計(jì)方案
LED背光照明應(yīng)用有多種設(shè)計(jì)選項(xiàng)。視乎應(yīng)用的不同，設(shè)計(jì)方案可以利用經(jīng)差異篩選的低VF LED直接驅(qū)動(dòng)，以至采用驅(qū)動(dòng)IC來(lái)驅(qū)動(dòng)未匹配的LED。現(xiàn)有的設(shè)計(jì)方案結(jié)合眾多種類的LED和全線的驅(qū)動(dòng)IC產(chǎn)品，能夠優(yōu)化系統(tǒng)成本、提高系統(tǒng)功效，以及通過(guò)有源亮度匹配和容錯(cuò)操作來(lái)達(dá)致更高性能。 |
