背光驅動電路的選擇策略和應用

       越來越多的便攜式消費電子產品配備了彩色顯示屏，例如手機、數碼相機、PDA、MP3、PMP播放器等，其中手機又占據了這個市場的絕大部分份額，從而導致了這兩年來中小尺寸顯示屏產業鏈的飛速發展。根據應用的不同，顯示屏會有不同的種類，例如TFT-LCD、CSTN-LCD以及OLED顯示屏，從市場的應用看，OLED顯示屏只是在折疊式手機的副屏以及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屏占據了現有的中小尺寸顯示屏出貨量的絕大部分。本文重點就中小尺寸的LCD顯示屏的背光驅動解決方案作一個分析介紹。
 

       背光驅動的技術分析
       LCD顯示屏自身并不發光，為了可以清楚的看到LCD顯示屏的內容，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背光電源由數個白光LED組成，如手機、數碼相機一般僅需要2到3個白光LED，而PDA和PMP則根據其顯示屏的面積，可能需要3到6個LED。對背光驅動電路的要求是：

       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）
       亮度可以方便地調節
       驅動電路占PCB空間要小
       工作效率高
       綜合成本低
       對系統其他模塊干擾小
       根據應用場合不同，系統設計者關注的重點可能會有所差別,例如對于低成本的產品方案中，可能會把整個驅動電路的成本放在第一位，對于手機的應用中，白光驅動電路對其他模塊是否會產生EMI干擾則是要重點考慮的因素，而在MP3應用中，又有可能對EMI干擾不太關心。
       白光LED驅動器基本上有兩種驅動方式：一種是采用電感升壓式DC/DC升壓變換的原理來驅動，所有的LED串聯接在一起，一般也叫做串聯型驅動方式；另一種是采用升壓式電荷泵驅動電路，所產生的電壓一般在5V/4.5V或者是根據LED的正向導通電壓而自適應確定的一個電壓，所有的LED并聯在一起，一般也叫做并聯型驅動方式。
       串聯驅動電路
       從技術發展的角度看，串聯型驅動出現的比較早，技術上也比較成熟。 以啟攀微電子的CP2126為例，典型的串聯型驅動電路如圖一所示：
      　　
       以CP2126為例，一般而言，采用串聯方式使流過每一個LED的電流都一樣，則發光的均勻性好；同時由于其升壓原理，所產生的電壓依賴于LED導通指定電流時所需要的電壓，反饋電壓CS內部設定為95mV，可以計算出當需要15mA的LED電流時，R1的值應該為：R1＝95mV/15mA=6.3ohm無論是驅動2個LED還是多達5個LED，都可以通過改變R1的電阻值可以靈活的設定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的設計中注意了兩個問題：

       1、避免了EMI的干擾問題
       CP2126避免了一般的串聯型LED驅動電路中電感和大電流開關所產生的EMI干擾問題，對于例如MP3、PMP之類的應用場合，這個問題可能影響不大，但是在手機應用中，EMI干擾會造成手機的接收靈敏度變差。CP2126通過優化了內部電路的設計，避免了這個問題。下表對比了兩款串聯驅動芯片在相同的應用情況下，對手機接收靈敏度的影響。　　
       可以看到，CP2126的工作與否對手機接收靈敏度的指標幾乎沒有影響，而芯片X在工作時，由于EMI的干擾造成了手機接收靈敏度的下降。同時，CP2126在輸入3.6V驅動3個白光LED的典型應用情況下，可以達到83％的轉換效率。
       PCB設計也會對電路性能有比較大的影響。一般而言高頻部分的走線應該盡可能的短而粗，對地的過孔盡可能的大而多，在CP2126的相關資料中對此都有比較詳細的說明。


       2、內置輸出開路保護電路
       在應用中，有可能出現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，如果沒有保護電路，這種升壓型的電路就會一直升壓直到內部的開關管被擊穿而損壞。所以，沒有內置開路保護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內部的開關管。保護電路如下：      　　
       顯而易見，這樣的保護電路又增加了系統的成本和PCB板的面積，另一種保護方式是增加一個引腳，采用如SOT23－6L的封裝，對VOUT的電壓采樣并進行檢測。CP2126的設計可以保證外圍應用電路無須做任何改動，在LED開路的情況下芯片依然不被損壞，當故障狀態解除后，芯片又可以正常工作。
       并聯驅動
       雖然串聯驅動電路具備了效率高的優點，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成本，使得最終的綜合成本和并聯相比，并不一定有優勢。同時，貼片電感的體積較大，一般有5.2mm*5.2mm大小，同時還有可能產生EMI干擾。
       固定模式并聯驅動電路
       早期的并聯驅動電路只是解決了LED所需要的電壓問題，它把電池電壓統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求情況下，隨著輸入電壓的變化，轉換效率變化很大，理論上，兩倍電荷泵電路所能達到的最高效率為：Eff=VOUT/(2*VIN)*100%
       例如，當VIN=3.1V，VOUT=5V時，效率可以達到83.3%，由于內部器件的損耗，一般也可以達到80％以上。
       但是，當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，根據驅動LED燈的數目的不同，需要1到5個電阻，和串聯驅動電路相比，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，還可以說是相當低成本的一個解決方案。
       混和模式并聯驅動電路
       為了能夠和串聯驅動相抗衡，并聯驅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，驅動電路所產生的輸出電壓不再是一個固定值，而是一個適當的并且可以驅動LED的電壓值。一般來說，白光LED在工作電流為20mA時，正向導通電壓一般在3.1～3.5V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4.2V～4.3V，鋰離子電池允許深度放電到2.7V，但是在實際應用中，一般手機設置的強制關機電壓為3.6V左右（不同整機廠商設定的強制關機電壓可能不同）。在電池充滿電后，這個電壓足以直接驅動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直接到VOUT然后驅動LED。而隨著電池的放電，電池電壓會逐步降低，當降低到一定的程度不足以直接驅動LED時，電荷泵電路開始工作。所以集成多種驅動模式成為背光驅動的主流解決方案，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可以最多驅動5個LED，CP2131可以最多驅動3個LED，CP2133可以最多驅動4個LED。　　

       同樣，對于系統應用而言，最關心的指標仍是效率和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換效率。
       1、效率
       對于關注的效率問題，CP2130/1/3實現了兩種工作模式自適應動態切換（即根據電池電壓和LED實際導通壓降判斷），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EN1和EN2的引腳設定不同而不同）時，CP2130/1/3就可以工作在相對效率較高的一倍模式下。
      　　
       圖示為典型應用情況下CP2130/1/3的工作效率。可以看到效率根據工作模式的不同，是一個兩段的折線圖，80％的電池能量在3.6V～4.1V之間，在這個電壓范圍內可以獲得平均80％以上的工作效率。
       2、電流匹配度
       和串聯驅動相比，并聯驅動要解決的一個重要問題就是各個LED間的電流匹配，由于LED的發光亮度是和它的工作電流相關的，不一樣的電流會導致顯示屏的亮度不均勻。對于并聯驅動的LED，在實際應用中，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導通壓降不同，可能會有50mV－200mV左右的電壓差值，這要求在設計內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的Auto-Mirror技術，可以使得各并聯白光LED電流匹配度幾乎不隨白光LED導通壓降的差別而變化。即使導通壓降差在50mV－200mV之間，LED的電流匹配度仍然可以達到2%以內。
      　　
       上圖是一種典型應用情況，CP2130/1/3采用QFN 3mm*3mm 16引腳的封裝，同時外圍元件相當簡單，只需要四個電容。
       3、支持PWM調光
       目前調光方式主要有兩種，一種是通過改變LED的直流工作電流的方式來調整亮度，例如，有的芯片通過設置內部的寄存器來直接設置LED的直流工作電流，從而達到不同的亮度臺階，這種方式的缺點是可能會產生色移。所謂的白光ＬＥＤ，其實是利用一種作為其管芯的藍光ＬＥＤ所發出的短波長紫藍光，激發涂布于輸出光學透鏡內壁的熒光材料，進而產生波譜較寬的白色復合光。在非額定電流工作情況下，LED所產生的光譜會有變化，導致最終的白光有色移。而另一種方式就是PWM調光，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的導通電流在零電流倒額定工作電流之間來回切換，從而調整亮度，這種調光方式就不會產生色移。在應用時，為了確保人眼看不到LED周期亮滅的情況，PWM調光的頻率一般要大于100Hz，CP2130/1/3可以支持0～50KHz的調光頻率范圍，這樣大大方便了系統的設計。并且由于芯片優越的環路控制特性，保證了調光過程的平穩，消除了可能潛在的噪聲干擾。
       同時對于第一種調光方法，CP2130/1/3也設置了滿量程、2/3量程和1/3量程三個電流等級來實現直流調光方式。

       總結
       本文對比介紹了目前常用的兩種背光驅動解決方案，串聯驅動電路具備效率高的優點，但是外圍元件比較多，而并聯驅動電路經過不斷的發展，已經由最初的單純的2倍電荷泵模式電壓控制型電路變成自適應模式選擇加電流控制的電路。這樣的電路具備了外圍元件數目少，綜合成本低的優點，同時也避免了串聯驅動電路通常所可能有的EMI干擾問題。目前，并聯驅動電路的方案已經越來越多，逐步成為背光驅動電路的主流方案。