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    18/03/2014探討小型LCD背光的LED驅動電路設計


        去幾年來,小型彩色LCD顯示屏已經被集成到范圍越來越寬廣的產品之中。彩色顯示屏曾被視為手機的豪華配置,但如今,即便在入門級手機中,彩屏已成為一項標配。幸好,手機產業的經濟規模性(全球手機年出貨量接近10億部)降低了LCD彩色顯示屏的成本,并使它們集成在無論是便攜醫療設備、通用娛樂遙控器、數字相框/圖像查看器、教育玩具,或是最新具有WiFi功能的VoIP無繩電話等其他產品中都具有吸引力。

      彩色LCD顯示屏需要白色背光,以便用戶在任何光照環境下都能正常地觀看。這個背光子系統包括1個高亮度白光發光二極管(LED)陣列、1個擴散器(diffuser)以擴散光線和1個背光驅動器將可用電能穩壓為恒定電流以驅動LED。一塊1到1.5英寸的顯示屏可能包含2到4個LED,而一塊3.5英寸顯示屏則可能輕易地就包含6到10個LED。對于LED而言,其光輸出與電流成正比,而且由于LED具有非常陡峭的電流-電壓(I-V)曲線,流過LED的電流緊密匹配是非常重要,這樣才能確保均衡背光,因為LED通常分布在LCD顯示屏的一邊。此外,也需要軟件控制讓用戶調節亮度,以及針對周圍光照環境作出補償。根據流經LED電流的不同,LED的色點(color point)可能會漂移。因此,將LED電流設定為固定值并對LED進行脈寬調制以降低平均光輸出就很普遍。要在手持產品設計中集成小型彩色LCD顯示屏并進而實現成本、性能和電池壽命的恰當平衡,存在著一系列需要考慮的因素。

      電池供電產品需要優化的LED驅動電路架構,這些架構要處理并存的多項挑戰,如空間受限、需要高能效,以及電池電壓變化—既可能比LED的正向電壓高,也可能低。常用的拓撲結構有兩種,分別是LED采用并聯配置的電荷泵架構/恒流源架構和LED采用串聯配置的電感升壓型架構。這兩種方案都有需要考慮的折衷因素,如升壓架構能夠確保所有LED所流經的電流大小相同但需要采用電感進行能量轉換,而電荷泵架構使用小型電容進行能量轉換,但所有LED并聯排列得太過緊密以致電流匹配成為均衡背光所面對的一項棘手問題。圖1展示了這兩種架構的示例。

      

      

      圖1:電荷泵和電感LED驅動器電路圖。

      設計時應做好以下幾點

      1. 評估顯示屏的大概使用時間

      選擇白光LED驅動器時,需要考慮到顯示屏的使用頻率。如果顯示屏會被長時間背光觀看,擁有高效率的轉換器對電池使用時間就顯得至關重要。較大的顯示屏需要較多的LED,而顯示屏使用時間較長的應用則會從能效更高的升壓型拓撲中受益。相反地,如果顯示屏僅用于短時間背光,那么效率就可能不是一項關鍵的設計參數。

      2. 仔細考慮LED選擇

      LED技術持續快速改進,制造商在使用新的材料、制造技術和LED設計來為同等大小的電流釋出更大的光輸出,這樣一來,幾年前需要4個LED進行背光的顯示屏如今可能采用2個LED就能實現同樣的背光亮度。不僅如此,過去通常使用冷陰極熒光燈(CCFL)進行背光的4到7英寸較大顯示屏,如今正在轉向使用LED進行背光。此外,LED的正向電壓正趨向更低。因此,不僅需要考慮驅動器制造商的數據表曲線上的驅動器效率,還需要基于采用所選LED對驅動器進行的評估來予以考慮。表1列舉了幾款LED的一些重要規范,顯示了這些LED在正向電壓和發光亮度等方面的差別。需要說明的是,正向電壓范圍的變化較大,這意味著驅動器的效率應該采用LED規范的極限值來進行評估。

      3. 注意布線

      即使各個LED采用10到20mA的極低電流來驅動,流經轉換器的峰值電流也明顯高得多。這對于電感拓撲結構而言猶為如此,因為峰值開關電流可能是LED平均電流的10到20倍。因此,需要使用適當的低損耗布線技術。對電荷泵型拓撲結構而言,電容應該布置在鄰近驅動器的位置,使回路面積減至最小以避免輻射開關噪聲。對于電感升壓型轉換器而言,輸入和輸出電容以及電感應設在鄰近驅動器的位置。此外,電流設定電阻(Rfb)應該直接連接至芯片的接地,因為內部參考和檢測電壓之間的錯誤會直接影響LED電流精確度。

      4. 在真實環境下測您的試產品

      考慮顯示屏在外界高亮度光照條件下的表現,并確保軟件調光控制擁有足夠的動態范圍,從而在預期的光照環境下能夠充分地對顯示屏進行調光。

      

      表:幾種不同的LED的特性參數。

      應該注意避免以下問題

      1. 忘記考慮邊界和故障模式

      錯誤總會發生,如果LED對地開路或短路,驅動器應該如何處理這個問題?對于電感升壓驅動器而言,如果LED串開路,輸出就會激增,因為恒定電流會對輸出電容進行充電,從而需要過壓保護,但這種功能可能會、也可能不會集成在驅動器中。這在工廠測試中可能會成為一個問題,因為顯示屏在某些測試步驟中可能還未被安裝。此外,評估產品開啟時的浪涌條件也很重要,因為此間大量的電流消耗可能將電池電壓降低到最低工作閾值之下。采用軟啟動和/或對不同電路模塊進行軟件排序就能夠將這個問題最小化。

      2. 只盯著峰值效率

      由于用戶可調節背光亮度,因此需要考慮顯示屏背光預計會在大多數工作時間內的驅動器效率。評估驅動器的效率時,需要考慮LED預計的工作條件、電池電壓范圍和正向電壓變化。電感型驅動器擁有更佳的峰值效率,對輸入和輸出電壓變化也有更大的容限。

      3. 忽視外部元件選擇

      在所有設計案例中,都應該考慮采用低的等效串聯電阻(ESR)X5R或X7R陶瓷電容使損耗降到最低。同樣在電感型案例中,(若有外部的)肖特基整流器的正向電壓降和電感的ESR會影響效率。舉例來說,使用帶有0.3Ω ESR的電感來以20mA電流驅動5個串聯的LED時,效率會比帶1.3Ω ESR的電感高5%。當然,這并不是沒有代價的,因為電感的ESR越低,提供相同電感值所對應的尺寸越大。所幸的是,如今也有許多新型的小尺寸電感器,它們容許LED驅動器置于顯示器的下面。


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