背光驅(qū)動電路的選擇策略和應(yīng)用

1、背光驅(qū)動電路的選擇策略和應(yīng)用        越來越多的便攜式消費(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)了這個市場的絕大部分份額，從而導(dǎo)致了這兩年來中小尺寸顯示屏產(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的市場上占有一定的份額，而市場的主流依然是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

2、就中小尺寸的LCD顯示屏的背光驅(qū)動解決方案作一個分析介紹。 背光驅(qū)動的技術(shù)分析LCD顯示屏自身并不發(fā)光，為了可以清楚的看到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)個白光LED組成，如手機(jī)、數(shù)碼相機(jī)一般僅需要2到3個白光LED，而PDA和PMP則根據(jù)其顯示屏的面積，可能需要3到6個LED。對背光驅(qū)動電路的要求是：滿足背光的亮度要求整個顯示屏亮度均勻（不允許有某一部分較亮、另一部較暗的情況）亮度可以方便地調(diào)節(jié)驅(qū)動電路占PCB空間要小工作效率高 綜合成本低 對系統(tǒng)其他模塊干擾小根據(jù)應(yīng)用場合不同，系統(tǒng)設(shè)計者關(guān)注的重

3、點可能會有所差別,例如對于低成本的產(chǎn)品方案中，可能會把整個驅(qū)動電路的成本放在第一位，對于手機(jī)的應(yīng)用中，白光驅(qū)動電路對其他模塊是否會產(chǎn)生EMI干擾則是要重點考慮的因素，而在MP3應(yīng)用中，又有可能對EMI干擾不太關(guān)心。白光LED驅(qū)動器基本上有兩種驅(qū)動方式：一種是采用電感升壓式DC/DC升壓變換的原理來驅(qū)動，所有的LED串聯(lián)接在一起，一般也叫做串聯(lián)型驅(qū)動方式；另一種是采用升壓式電荷泵驅(qū)動電路，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)確定的一個電壓，所有的LED并聯(lián)在一起，一般也叫做并聯(lián)型驅(qū)動方式。串聯(lián)驅(qū)動電路從技術(shù)發(fā)展的角度看，串聯(lián)型驅(qū)動出現(xiàn)的比較早，技術(shù)上也比較成熟。

4、 以啟攀微電子的CP2126為例，典型的串聯(lián)型驅(qū)動電路如圖一所示：以CP2126為例，一般而言，采用串聯(lián)方式使流過每一個LED的電流都一樣，則發(fā)光的均勻性好；同時由于其升壓原理，所產(chǎn)生的電壓依賴于LED導(dǎo)通指定電流時所需要的電壓，反饋電壓CS內(nèi)部設(shè)定為95mV，可以計算出當(dāng)需要15mA的LED電流時，R1的值應(yīng)該為：R195mV/15mA=6.3ohm無論是驅(qū)動2個LED還是多達(dá)5個LED，都可以通過改變R1的電阻值可以靈活的設(shè)定LED的亮度，在SHDN引腳施加一定占空比的PWM控制信號，可以使LED的亮度從不亮到滿亮度之間無級可變。在CP2126的設(shè)計中注意了兩個問題：1、避免了EMI的干擾

5、問題CP2126避免了一般的串聯(lián)型LED驅(qū)動電路中電感和大電流開關(guān)所產(chǎn)生的EMI干擾問題，對于例如MP3、PMP之類的應(yīng)用場合，這個問題可能影響不大，但是在手機(jī)應(yīng)用中，EMI干擾會造成手機(jī)的接收靈敏度變差。CP2126通過優(yōu)化了內(nèi)部電路的設(shè)計，避免了這個問題。下表對比了兩款串聯(lián)驅(qū)動芯片在相同的應(yīng)用情況下，對手機(jī)接收靈敏度的影響?？梢钥吹剑珻P2126的工作與否對手機(jī)接收靈敏度的指標(biāo)幾乎沒有影響，而芯片X在工作時，由于EMI的干擾造成了手機(jī)接收靈敏度的下降。同時，CP2126在輸入3.6V驅(qū)動3個白光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)計也會對電路性能有比較大的影響。一般而言

6、高頻部分的走線應(yīng)該盡可能的短而粗，對地的過孔盡可能的大而多，在CP2126的相關(guān)資料中對此都有比較詳細(xì)的說明。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)電路的芯片會要求外部增加一個Zener二極管，利用它的擊穿來保護(hù)內(nèi)部的開關(guān)管。保護(hù)電路如下：顯而易見，這樣的保護(hù)電路又增加了系統(tǒng)的成本和PCB板的面積，另一種保護(hù)方式是增加一個引腳，采用如SOT236L的封裝，對VOUT的電壓采樣并進(jìn)行檢測。CP2126的設(shè)計可以保證外圍應(yīng)用電路

7、無須做任何改動，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)動雖然串聯(lián)驅(qū)動電路具備了效率高的優(yōu)點，但是整體的解決方案需要一個電感和一個肖特基二極管，這又額外的增加了系統(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。同時，貼片電感的體積較大，一般有5.2mm*5.2mm大小，同時還有可能產(chǎn)生EMI干擾。固定模式并聯(lián)驅(qū)動電路早期的并聯(lián)驅(qū)動電路只是解決了LED所需要的電壓問題，它把電池電壓統(tǒng)一通過電荷泵的方式升壓到5V或者4.5V的這樣一個固定的電壓，然后每一個LED通過串聯(lián)一定的電阻阻值來控制LED的電流。電荷泵電路的一個基本缺點在于，在給定的輸出電壓要

8、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：Eff=VOUT/(2*VIN)*100%例如，當(dāng)VIN=3.1V，VOUT=5V時，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，理論效率最高就只有59.5%。 從圖中可以看到，CP2128外圍元件只需要三個電容，根據(jù)驅(qū)動LED燈的數(shù)目的不同，需要1到5個電阻，和串聯(lián)驅(qū)動電路相比，雖然具有效率不高的缺點，但是外圍元件的成本和所占PCB面積都比較小，還可以說是相當(dāng)?shù)统杀镜囊粋€解決方案?；旌湍Ｊ讲⒙?lián)驅(qū)動電路為了能夠和串聯(lián)驅(qū)動相抗衡

9、，并聯(lián)驅(qū)動電路要重點解決兩個問題：一個是效率，一個是電流匹配。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)動電路所產(chǎn)生的輸出電壓不再是一個固定值，而是一個適當(dāng)?shù)牟⑶铱梢则?qū)動LED的電壓值。一般來說，白光LED在工作電流為20mA時，正向?qū)妷阂话阍?.13.5V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4.2V4.3V，鋰離子電池允許深度放電到2.7V，但是在實際應(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，這個電壓足以直接驅(qū)動LED，在這種情況下，電荷泵電路不工作，電池的電壓通過一個開關(guān)直接到

10、VOUT然后驅(qū)動LED。而隨著電池的放電，電池電壓會逐步降低，當(dāng)降低到一定的程度不足以直接驅(qū)動LED時，電荷泵電路開始工作。所以集成多種驅(qū)動模式成為背光驅(qū)動的主流解決方案，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問題。其中CP2130可以最多驅(qū)動5個LED，CP2131可以最多驅(qū)動3個LED，CP2133可以最多驅(qū)動4個LED。 同樣，對于系統(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，盡可能的工作在1倍模式能夠顯著提高整個電池工作電壓范圍的電源轉(zhuǎn)換效率。1、效率對于關(guān)注

11、的效率問題，CP2130/1/3實現(xiàn)了兩種工作模式自適應(yīng)動態(tài)切換（即根據(jù)電池電壓和LED實際導(dǎo)通壓降判斷），而不是固定電壓點切換（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，CP2130/1/3就可以工作在相對效率較高的一倍模式下。圖示為典型應(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，是一個兩段的折線圖，80的電池能量在3.6V4.1V之間，在這個電壓范圍內(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)動相比，并聯(lián)驅(qū)動要解決的一個重要問題就是各個LED間的電流匹

12、配，由于LED的發(fā)光亮度是和它的工作電流相關(guān)的，不一樣的電流會導(dǎo)致顯示屏的亮度不均勻。對于并聯(lián)驅(qū)動的LED，在實際應(yīng)用中，LED由于批次的不同和個體差異，在同樣工作電流情況下的正向?qū)▔航挡煌?，可能會?0mV200mV左右的電壓差值，這要求在設(shè)計內(nèi)部的電流控制電路時需要考慮到這個差異。CP2130/1/3采用申請了國家專利保護(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50mV200mV之間，LED的電流匹配度仍然可以達(dá)到2%以內(nèi)。上圖是一種典型應(yīng)用情況，CP2130/1/3采用QFN 3mm*3mm 16引腳的封裝

13、，同時外圍元件相當(dāng)簡單，只需要四個電容。3、支持PWM調(diào)光目前調(diào)光方式主要有兩種，一種是通過改變LED的直流工作電流的方式來調(diào)整亮度，例如，有的芯片通過設(shè)置內(nèi)部的寄存器來直接設(shè)置LED的直流工作電流，從而達(dá)到不同的亮度臺階，這種方式的缺點是可能會產(chǎn)生色移。所謂的白光，其實是利用一種作為其管芯的藍(lán)光所發(fā)出的短波長紫藍(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)生的光譜會有變化，導(dǎo)致最終的白光有色移。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周期性的控制白光LED的導(dǎo)通電流在零電流倒額定工作電流之間來回切換，從而調(diào)整亮度，這種調(diào)光方式就不會產(chǎn)生色移。在應(yīng)用時，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050KHz的調(diào)光頻率范圍，這樣大大方便了系統(tǒng)的設(shè)計。并且由于芯片優(yōu)越的環(huán)路控制特性，保證了調(diào)光過程的平穩(wěn)，消除了可能潛在的噪聲干擾。同時對于第一種調(diào)光方法，CP2130/1/3也設(shè)置了滿量程、2/3量程和