手機白光LED驅(qū)動電路的設(shè)計方法及實現(xiàn)

多年來，發(fā)光二極管(Light Emitting Diode;LED)已經(jīng)廣泛使用在狀態(tài)指示以及信息顯示屏上，現(xiàn)在我們更可以在常見的紅、綠及黃光之外，選用藍(lán)光以及廣泛應(yīng)用于便攜式設(shè)備的白光產(chǎn)品。舉例來說，白光LED被認(rèn)為是彩色顯示設(shè)備的理想背光照明，但在為這些新型LED設(shè)計電源時，我們必須注意其本身的特性。本文對手機白光LED驅(qū)動電路分析和解決。

　
　推動移動電話顯示由單色轉(zhuǎn)換為彩色的一個主要趨勢是拍攝功能的集成。最初這些成像器件的分辨率相當(dāng)有限，同時圖像質(zhì)量也不佳。但隨著技術(shù)的發(fā)展，分辨率由30萬像素的VGA等級進(jìn)展到100至200萬級像素，并快速朝向300萬像素以上的分辨率級邁進(jìn)。在成像器件、處理器與軟件不斷得到改進(jìn)后，消費者現(xiàn)在希望得到更多的數(shù)碼相機功能，例如低照明情況下需要的閃光燈，甚至是自動對焦等。在這樣的分辨率下，良好的畫質(zhì)輸出以及圖片與視頻分享變得更加實用，這些更高密度的CMOS成像器件需要從目標(biāo)獲得更多的反射光，因此進(jìn)一步推動了集成閃光功能的需求。

　　LED驅(qū)動設(shè)計的新要求

　　LED在具體的使時，要注意驅(qū)動電路的選用。LED 驅(qū)動電路除了要滿足安全要求外，另外的基本功能應(yīng)有兩個方面：一是盡可能保持恒流特性，尤其在電源電壓發(fā)生±15%的變動時，仍應(yīng)能保持輸出電流在±10%的范圍內(nèi)變動。 二是驅(qū)動電路應(yīng)保持較低的自身功耗，這樣才能使LED 的系統(tǒng)效率保持在較高水平。根據(jù)能量來源的不同，LED驅(qū)動電路總體上可分為兩類，一是AC/ DC轉(zhuǎn)換，能量來自交流市電，二是DC/ DC轉(zhuǎn)換，能量來自干電池、可充電電池、蓄電池等。根據(jù)LED驅(qū)動原理的不同，又可以分為線性驅(qū)動電路和開關(guān)驅(qū)動電路。

　　要將傳統(tǒng)的氙氣閃光燈放置到尺寸相當(dāng)緊湊的手機內(nèi)對設(shè)計工程師來說極具挑戰(zhàn)性，因為除了粗大的閃光用高壓電容外，還必須加上燈泡以及相關(guān)的變壓器與電子線路，而傳統(tǒng)的閃光燈也不適用于視頻拍攝的用途。慶幸的是，LED制造商已經(jīng)著手通過采用如氮化銦鎵(InGaN)等新材料來提升功率LED的光輸出。

　　圖1：基于NCP5005的電感式LED驅(qū)動電路。

　　另一方面，半導(dǎo)體制造技術(shù)的創(chuàng)新以及封裝方式的改進(jìn)也提高了能夠產(chǎn)生的流明數(shù)以及光電轉(zhuǎn)換效率。要產(chǎn)生最高的光輸出，這些功率LED可能需要400mA或更高，且脈沖寬度在50到200ms的電流輸出能力。但是對視頻應(yīng)用來說，則需要較小的電流，但時間卻不僅限于單一脈沖。除了尺寸的限制以及人體工學(xué)的考慮外，這些相機模塊通常會集成在屏幕的后方或上方，以便使用者可以利用LCD作為抓取圖像的取景器，這在折疊式手機上特別常見。成像器件與鏡頭機構(gòu)可能還必須能夠旋轉(zhuǎn)，以便手機可以在視頻會議模式下作為面對面溝通的工具，這在3G網(wǎng)絡(luò)的電話設(shè)計上預(yù)計將更加普遍，因為有足夠的帶寬可以運用在視頻會議上。

　　在討論這些趨勢時我們可以明顯地看出，屏幕顯示的質(zhì)量與分辨率變得越來越高，同時尺寸也越來越大，特別是具備豐富多媒體功能的手機，預(yù)計未來將有越來越多的內(nèi)容，如流視頻或廣播視頻、互聯(lián)網(wǎng)瀏覽與電子郵件、拍照與相片查看，以及游戲和信息獲取服務(wù)等。因此，當(dāng)手機在沒有通話時屏幕使用將更為頻繁，但是如果手機的電池續(xù)航能力不夠，這些功能都將受到限制。因此，高效率的系統(tǒng)電源管理，包括屏幕與按鍵的背光電源管理就變得相當(dāng)重要，而諸如相機閃光燈等以往只有在高端手機中才能看到的功能也將逐漸成為標(biāo)準(zhǔn)配置。

　　這些也將對白光LED背光驅(qū)動電路的設(shè)計帶來挑戰(zhàn)：更大的屏幕代表了有更多的區(qū)域需要背光，因此必須提升驅(qū)動器件的整體效率;由于空間有限，所以必須在單一封裝中集成更多的功能;由于考慮的不僅是大小，厚度也必須縮減，特別是滑蓋與折疊式造型的產(chǎn)品。
驅(qū)動電路方案

　　手機中白光LED驅(qū)動電路經(jīng)常使用兩種架構(gòu)：LED以串聯(lián)方式連接的電感升壓轉(zhuǎn)換電路;每顆LED都通過穩(wěn)定的電流源驅(qū)動的電荷泵驅(qū)動器。電感解決方案可以帶來最佳的整體效率，而電荷泵方式由于使用小型陶瓷電容作為能量轉(zhuǎn)換器件，因此體積最小。圖1和圖2分別給出了兩種驅(qū)動架構(gòu)的典型應(yīng)用電路。當(dāng)前，功率LED的效率不斷地得到提高，降低了背光LED的功耗，因此可以用更少的LED提供更高的光輸出。這意味著兩、三年前需要4顆LED提供背光的1.5寸屏幕，現(xiàn)在只需兩顆功耗只有一半的LED就能夠得到相同的性能。

　　圖2：基于NCP5604A的電荷泵LED驅(qū)動電路。

　　為了滿足這個需求，就需要一顆能夠驅(qū)動兩個LED的新產(chǎn)品，并能以相當(dāng)?shù)偷碾娏髦С制聊槐彻獾牡凸拇龣C運行。為了解決這個問題，NCP5602/12系列電荷泵LED驅(qū)動器件設(shè)計成可以支持超低電流的ICON模式，同時能夠通過簡單的單線式或傳統(tǒng)的I2C串行總線提供兩顆LED的普通背光功能。除了支持最新的輕薄封裝趨勢外，這些產(chǎn)品也在設(shè)計上采用新的極薄型LLGA微封裝技術(shù)(2×2×0.55mm)來支持超薄應(yīng)用。此外，部分改進(jìn)的LED材料與設(shè)計擁有更低的正向電壓(由3.6V降低到3.1V)，因此對電感解決方案來說，相同的功率可以驅(qū)動更多的LED.而更復(fù)雜的LED驅(qū)動器件，如NCP5604A/B就擁有更多的電壓轉(zhuǎn)換模式選擇，提供更優(yōu)化的功率轉(zhuǎn)換，同時集成電流源的功率耗損也更低，在手機電源所使用的鋰離子電池的大部分工作時間內(nèi)達(dá)到85%的轉(zhuǎn)換效率(PLED/Pin)。

　　LED閃光燈已經(jīng)成為照相手機必備的配置，為此安森美開發(fā)出了NCP5608多重模式電荷泵LED驅(qū)動器，能夠驅(qū)動4顆LED用于主屏幕與子屏幕的背光，以及可以提供用于驅(qū)動1W功率LED的高達(dá)400mA的高電流輸出。這些功能在設(shè)計上共用一個高效率的電荷泵轉(zhuǎn)換電路，以便將外接電容的數(shù)目降到最低。

　　由于空間有限，特別是新型超薄直板手機以及翻蓋手機，因此這款器件采用4×4×0.75mm的QFN封裝。為了將控制驅(qū)動器所需的連線數(shù)降到最低，該器件采用了兩線I2C數(shù)據(jù)總線作為控制配置接口。在驅(qū)動閃光燈LED上提供有4個專用通道，讓引腳能夠以并聯(lián)方式驅(qū)動一個高功率LED,或用來驅(qū)動數(shù)個以較低電流工作的閃光燈LED.

　　LED 驅(qū)動電路無法省略限流的裝置，限流裝置的阻抗越大，提供給LED驅(qū)動電流的條件越好。但是此類元件應(yīng)具備自身承擔(dān)的分壓高，但功耗要小的特性，否則將使具有較高效率的LED 因為驅(qū)動電路的工作功耗太大而使總體系統(tǒng)的效率大為降低，有悖于節(jié)能高效的宗旨。所以應(yīng)該采用電容、電感或有源開關(guān)電路等高效電路，取代電阻或串聯(lián)穩(wěn)壓電路來作為LED 驅(qū)動器的限流主電路，這樣才能保證LED 系統(tǒng)的高效率。

　　應(yīng)用展望

　　當(dāng)許多新興的多媒體與數(shù)據(jù)服務(wù)變得越來越普遍，手機設(shè)計工程師也將持續(xù)面臨需要集成更多功能(例如更大的屏幕、百萬像素成像器件、視頻處理以及應(yīng)用協(xié)處理器等)的挑戰(zhàn)，同時還得滿足移動手機用戶對待機與通話時間的要求，以及使用者對更長的視頻播放、游戲與網(wǎng)絡(luò)瀏覽的期望，這些都將需要更長的顯示屏使用時間。幸運的是，高亮度LED效率以及創(chuàng)新性LED驅(qū)動器件的改進(jìn)將能夠幫助設(shè)計工程師滿足這些需求，同時還能符合消費者對重量與尺寸的期望。

　　目前手機彩屏背光主要采用白光LED(WLED)，WLED 驅(qū)動器的功能就是要向WLED 提供恒定電流，減少電池電壓變化時所引起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)動器隨著時間的不同，不同的架構(gòu)先后在手機中得到了大規(guī)模的應(yīng)用。從2003~2005 年，在手機中流行使用的是電感升壓型WLED 驅(qū)動器;2005~2007 年大規(guī)模使用的是分?jǐn)?shù)電荷泵型WLED 驅(qū)動器;到2007 年初嶄露頭角、2008 年逐步流行的低壓降恒流型WLED 驅(qū)動器，經(jīng)歷了一系列的發(fā)展歷程。