如何選擇低成本高性能的WLED 驅(qū)動(dòng)器

前言

目前手機(jī)彩屏背光主要采用白光LED（WLED），WLED驅(qū)動(dòng)器的功能就是要向WLED提供恒定電流，減少電池電壓變化時(shí)所引起LED亮度的變化以及不同LED之間的亮度不匹配。

這樣的WLED驅(qū)動(dòng)器隨著時(shí)間的不同，不同的架構(gòu)先后在手機(jī)中得到了大規(guī)模的應(yīng)用。從2003～2005年，在手機(jī)中流行使用的是電感升壓型WLED驅(qū)動(dòng)器；2005～2007年大規(guī)模使用的是分?jǐn)?shù)電荷泵型WLED驅(qū)動(dòng)器；到2007年初嶄露頭角、2008年逐步流行的低壓降恒流型WLED驅(qū)動(dòng)器，經(jīng)歷了一系列的發(fā)展歷程。如何選擇合適的WLED驅(qū)動(dòng)器？下面將逐步分析，以便從WLED驅(qū)動(dòng)器演變的過程中去尋找合適架構(gòu)的LED驅(qū)動(dòng)器。

串聯(lián)電感升壓型WLED驅(qū)動(dòng)器架構(gòu)

圖1.串聯(lián)電感升壓型LED驅(qū)動(dòng)器典型應(yīng)用圖

如圖1所示，串聯(lián)電感升壓型WLED驅(qū)動(dòng)器比較方便的通過一個(gè)電阻就設(shè)定了一串WLED的工作電流。但是它的最大問題在于：由于使用了電感來進(jìn)行升壓（boost），電感是通過把電能轉(zhuǎn)換成磁能來儲(chǔ)存能量的，在工作過程中，不停的進(jìn)行電磁轉(zhuǎn)換、這樣就可能產(chǎn)生電磁輻射和電磁干擾，從而影響手機(jī)中的射頻模塊工作。例如：手機(jī)的接受靈敏度指標(biāo)可能在背光模塊工作時(shí)受到影響而下降，這樣在基站信號不強(qiáng)的區(qū)域，背光模塊的工作可能會(huì)導(dǎo)致通話質(zhì)量的下降，導(dǎo)致用戶對手機(jī)品質(zhì)的抱怨。

分?jǐn)?shù)電荷泵型WLED驅(qū)動(dòng)器架構(gòu)2005年開始，手機(jī)中逐步流行分?jǐn)?shù)電荷泵WLED驅(qū)動(dòng)器，其基本架構(gòu)如下：

圖2.分?jǐn)?shù)電荷泵WLED驅(qū)動(dòng)器典型應(yīng)用圖

通常這種分?jǐn)?shù)電荷泵型WLED驅(qū)動(dòng)器都是多模式的，可以自動(dòng)根據(jù)WLED的正向?qū)▔航担╒F）和電源電壓，來自動(dòng)決定驅(qū)動(dòng)器所需要的工作模式，比如，當(dāng)WLED的VF為3.3V時(shí)，電池電壓在3.8V以上，通過內(nèi)部的模式判斷電路，驅(qū)動(dòng)器可以停留在1X工作模式下，當(dāng)電池電壓下降到不足以維持WLED的設(shè)定電流時(shí)，通過電荷泵達(dá)到升壓增強(qiáng)驅(qū)動(dòng)能力的目的。

這種分?jǐn)?shù)電荷泵型WLED驅(qū)動(dòng)器的好處在于：消除了電感，減少了對手機(jī)射頻電路的干擾，用廉價(jià)的電容儲(chǔ)能來代替電感儲(chǔ)能，外圍元件的成本也進(jìn)一步降低。這種芯片的封裝一般為QFN3mm×3mm16L的封裝。分?jǐn)?shù)電荷泵型WLED驅(qū)動(dòng)器的工作有一個(gè)特點(diǎn)：在理想情況下，輸出80mA的驅(qū)動(dòng)電流時(shí)，當(dāng)工作在1X模式下，電源消耗電流的為80mA（考慮到芯片內(nèi)部其他電路的消耗，電流一般小于81mA）；當(dāng)工作在1.5X模式下，電源消耗的電流突變?yōu)?20mA（考慮到芯片內(nèi)部其他電路的消耗以及開關(guān)損耗，電流一般在123mA左右），當(dāng)工作在2X模式下，電源消耗的電流突變?yōu)?60mA。

因此，從分?jǐn)?shù)電荷泵型WLED驅(qū)動(dòng)器的效率曲線上，通常會(huì)看到一個(gè)或者兩個(gè)突變點(diǎn)。因此，對于分?jǐn)?shù)電荷泵型WLED驅(qū)動(dòng)器，如何盡可能降低模式切換時(shí)所對應(yīng)的電源電壓，延長驅(qū)動(dòng)器在1X模式下的工作時(shí)間，才是提升整體效率的關(guān)鍵。例如：圖3所示的分?jǐn)?shù)電荷泵型WLED驅(qū)動(dòng)器，在電源電壓低于3.75V時(shí)就要退出1X工作模式，因此，它最終所表現(xiàn)出來的整體效率和一個(gè)電源電壓低到3.5V才退出1X模式的電荷泵型WLED驅(qū)動(dòng)器整體效率會(huì)有很大的差別。

圖3.分?jǐn)?shù)電荷泵型WLED驅(qū)動(dòng)器效率折線圖

圖4.分?jǐn)?shù)電荷泵型WLED驅(qū)動(dòng)器電源電流和工作模式關(guān)系

低壓降恒流型WLED驅(qū)動(dòng)器架構(gòu)

隨之發(fā)光LED的工藝改進(jìn)，WLED的正向?qū)▔航翟谙陆?。圖5為2006年一款Nichia公司NSSW100CTWLED的I-V曲線，從圖中可以看出提供20mA電流的WLEDVF僅為3.2V左右。目前，基本上手機(jī)中普遍用到的WLED的正向?qū)▔航狄话阍?.0～3.2V之間。

圖5.NichiaWLEDI-V曲線

隨著WLED的VF持續(xù)下降，驅(qū)動(dòng)WLED是否還需要升壓？結(jié)合鋰離子電池的特性和實(shí)際應(yīng)用的情況來分析這個(gè)問題。目前手機(jī)使用的電池都是鋰離子電池，鋰離子電池的特點(diǎn)為額定電壓3.6V，充滿電后為4.2V。

在手機(jī)工作時(shí)，電池不斷放電，電池電壓不斷下降，電池放電的電流不同，電壓下降的曲線速率也不同，一般來說，在電池電壓3.5V～4.2V之間集中了90%的電池能量。

圖6.電池能量分布概圖結(jié)合這種實(shí)際情況，一般手機(jī)的工作設(shè)置為當(dāng)鋰離子電池放電到一定程度時(shí)，會(huì)通過軟件的設(shè)置為不能通話或者強(qiáng)行關(guān)機(jī)。深度放電對鋰離子電池的壽命會(huì)造成不可逆轉(zhuǎn)的損傷，因此關(guān)機(jī)電壓一般設(shè)置為3.5V左右。而這時(shí)，如果考慮到WLED的VF在3.0V~3.2V之間，實(shí)際上驅(qū)動(dòng)WLED可以不再需要升壓。

圖7.低壓降恒流型AW93013LED驅(qū)動(dòng)，一線調(diào)光AW9301就是這樣一款低壓降恒流型芯片，它采用了專利的Q-MirrorTM架構(gòu)，僅需要40mV的恒流源壓降即可保證20mA的WLED電流。也就是說，當(dāng)WLED的VF為3.1V時(shí)，只要電池電壓高于3.14V，即可保證WLED的電流恒定不變，從而保證背光的亮度不變。

在驅(qū)動(dòng)3個(gè)WLED或者2個(gè)WLED的時(shí)候，SOT23-6L封裝的AW9301是比較合適的選擇。在驅(qū)動(dòng)4個(gè)WLED時(shí)，AW9364是比較好的選擇，AW9364提供三種不同的封裝類型，QFN3mm×3mm-16L封裝可以兼容傳統(tǒng)的電荷泵型封裝形式，MSOP-8L是最經(jīng)濟(jì)的封裝形式，DFN2mm×2mm-8L的封裝是占PCB面積最小的封裝形式。

圖8.低壓降恒流型AW93644WLED驅(qū)動(dòng)，一線調(diào)光和分?jǐn)?shù)電荷泵型WLED驅(qū)動(dòng)器相比，低壓降恒流型有幾個(gè)改進(jìn)：

1.適應(yīng)了WLED的VF的下降的趨勢，不再需要電荷泵進(jìn)行升壓，節(jié)省了外部元件，分?jǐn)?shù)電荷泵型WLED驅(qū)動(dòng)器一般需要使用4個(gè)外圍電容，而低壓降恒流型WLED驅(qū)動(dòng)器僅需要一個(gè)外圍電容。

2.線性工作，無須開關(guān)升壓，同時(shí)一線脈沖的調(diào)光方式會(huì)讓背光驅(qū)動(dòng)模塊工作電流更為恒定，減少對其他模塊的干擾。

3.芯片外圍引腳數(shù)目變少，因此可以采用更為經(jīng)濟(jì)有效的封裝、或者采用更小的封裝，使得最終背光驅(qū)動(dòng)解決方案更加經(jīng)濟(jì)、占板面積更小。

總之，在外圍應(yīng)用電路的復(fù)雜度以及成本控制上，低壓降恒流型WLED驅(qū)動(dòng)器比分?jǐn)?shù)電荷泵型WLED驅(qū)動(dòng)器更具優(yōu)勢。

1.1.13寸以上屏WLED驅(qū)動(dòng)器架構(gòu)

對于一些有較多附加功能的手機(jī)，比如可以靈活播放視頻的智能手機(jī)、可以收看電視的CMMB手機(jī)，一般會(huì)采用3寸或者3寸以上的LCD屏，可能需要5～6個(gè)WLED來給LCD屏提供背光。這種類型的手機(jī)除了一般的基帶套片外，還可能會(huì)有額外的應(yīng)用處理器（AP）或者CMMB模塊，這些模塊在工作時(shí)會(huì)消耗比較大的電流，考慮到鋰離子電池的輸出阻抗，會(huì)造成鋰離子電池輸出電壓有較大的下降。為了防止電池電壓在RFPA工作時(shí)電壓突變太多可能造成的屏閃現(xiàn)象，需要給低壓降恒流型加一個(gè)“保險(xiǎn)”。這時(shí)，1X/2X自適應(yīng)雙模電荷泵型WLED驅(qū)動(dòng)器會(huì)是比較好的選擇。

圖9.1X/2X自適應(yīng)雙模電荷泵型AW96566WLED驅(qū)動(dòng)，一線調(diào)光1X/2X自適應(yīng)雙模電荷泵型WLED驅(qū)動(dòng)器和傳統(tǒng)的分?jǐn)?shù)電荷泵型WLED驅(qū)動(dòng)器相比，外圍只需要一個(gè)飛電容，節(jié)省了外圍元件。同時(shí)，AW9656采用了專利的Q-ModeTM算法來控制驅(qū)動(dòng)器的工作模式，盡可能使驅(qū)動(dòng)器工作在1X模式下從而來保證在鋰離子電量范圍內(nèi)的最大壽命。例如：對于VF為3.1V的WLED，AW9656可以保證當(dāng)鋰離子電池電壓在3.4V以上的時(shí)候，依然停留在1X工作模式下，這樣盡可能的提升了電池使用壽命。16級線性一線調(diào)光方式，使得WLED的工作電流恒定，也盡可能的避免了背光模塊工作時(shí)可能對其他模塊造成的干擾。

總結(jié)

通過上述的對比分析，可以看出低壓降恒流型WLED驅(qū)動(dòng)器在手機(jī)背光應(yīng)用上具有更大的成本優(yōu)勢。當(dāng)然，要根據(jù)具體情況來選擇合適的WLED驅(qū)動(dòng)器。相對電荷泵型WLED驅(qū)動(dòng)器，低壓降恒流源WLED驅(qū)動(dòng)器以低成本、較高的性價(jià)比，近一兩年年來在普及型手機(jī)產(chǎn)品中占據(jù)越來越多的市場份額。對于中小尺寸的LCD屏，低壓降恒流型WLED驅(qū)動(dòng)器是比較合適的驅(qū)動(dòng)方式，對于3寸以上的屏，要考慮重負(fù)載情況下電池輸出電壓的波動(dòng)增大可能造成的“屏閃現(xiàn)象”，這種情況下，1X/2X自適應(yīng)雙模電荷泵型WLED驅(qū)動(dòng)器會(huì)是比較合適的選擇。

隨著LED產(chǎn)業(yè)的不斷發(fā)展，WLED的正向壓降也在不斷的下降。加上普及型手機(jī)產(chǎn)品苛求成本下降，選擇更具性價(jià)比的WLED驅(qū)動(dòng)器是手機(jī)基帶工程師的一個(gè)重要任務(wù)。