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[導(dǎo)讀]目前,PDA、移動電話和數(shù)碼相機等便攜式電子設(shè)備已逐步過渡到了彩色LCD顯示屏,因此越來越多的產(chǎn)品需要背光源。白光LED被普遍用作便攜式電子設(shè)備LCD的背光源,原因是它們的復(fù)雜程度較低、成本低且尺寸小于CCFL背光源

目前,PDA、移動電話和數(shù)碼相機等便攜式電子設(shè)備已逐步過渡到了彩色LCD顯示屏,因此越來越多的產(chǎn)品需要背光源。白光LED被普遍用作便攜式電子設(shè)備LCD的背光源,原因是它們的復(fù)雜程度較低、成本低且尺寸小于CCFL背光源。單色LCD可以使用電致發(fā)光背光源或LED作為背光源,而彩色顯示器則需要白光背光源以正確顯示色彩。目前主要有兩種方法提供白光背光源:白光LED和CCFL(冷陰極熒光燈)。CCFL在筆記本電腦中已經(jīng)應(yīng)用了很多年。但考慮到光源尺寸、復(fù)雜性及成本優(yōu)勢,白光LED已成為小型便攜式電子設(shè)備中彩色LCD的首選背光源。

白光LED只需較低的直流電壓(3~4V之間),可以采用簡單的基于電感或電容式開關(guān)變換器供電。相反,CCFL則需要很高的交流電壓(200URMS~500URMS)供電,且其成本高、體積大,需采用基于變壓器的電路。紅光LED和綠光LED的正向壓降為1.8~2.4V(典型值),一些常用電池即可提供足夠高的電壓以用來直接驅(qū)動這些LED。然而,白光LED的正向壓降為3~4V(典型值),故其通常需要一個獨立電源供電。白光LED的光強與流過白光LED的電流有關(guān),電流越大光強越高。通常白光LED滿亮度輸出時的電流大約為20mA。數(shù)碼相機和移動電話一般需要2~3個白光LED作為彩色LCD的背光源,PDA一般需要3~6個白光LED作為彩色LCD的背光源。白光LED可以通過并聯(lián)串聯(lián)方式驅(qū)動。并聯(lián)方式的缺點是白光LED電流及亮度不能自動匹配。而串聯(lián)方式雖然可以保持固有的匹配特性,但需要較高的驅(qū)動電壓無論是并聯(lián)方式還是串聯(lián)方式,大多數(shù)便攜式電子設(shè)備的電池電壓都不足以驅(qū)動白光LED,所以需要升壓變換器。電荷泵變換器是利用電容實現(xiàn)電壓轉(zhuǎn)換的,其尺寸小、成本最低。但是電荷泵變換器只能輸出為輸入電壓一定倍數(shù)的電壓(如1.5倍壓模式、2倍壓模式)。因此,串聯(lián)白光LED通常需要用電感式開關(guān)變換器來實現(xiàn)更高的升壓比,而且電感式開關(guān)變換器能夠在較寬的輸人電壓范圍內(nèi)保持高效率。

在絕大多數(shù)應(yīng)用中,單個白光LED是不夠的,需要同時驅(qū)動幾個白光LED,因此必須采用具有亮度控制電路的驅(qū)動器,以確保它們的發(fā)光亮度和色彩一致,并且即使是電池放電或其他條件變化時,也要保證各白光LED的發(fā)光亮度一致。

圖1給出了一組隨機挑選的白光LED的電流、電壓曲線,在這些白光LED上加載3.3V電壓(上端虛線)會產(chǎn)生2~5mA范圍的正向電流,使其發(fā)出不同亮度的白光。白光LED要求高于3V的驅(qū)動電壓,若低于該電壓,幾個白光LED可能會完全變暗。

圖1中的曲線顯示了不同白光LED的電流、電壓特性之間有相當(dāng)大的差異,甚至是從同一產(chǎn)品批次中隨機挑選的白光LED也存在差異。因此,用恒定的3.3V(上端虛線)驅(qū)動這樣幾個并聯(lián)的白光LED會產(chǎn)生不同亮度的白光。

 

 

圖1 白光LED的電流一電壓曲線

1.驅(qū)動并聯(lián)白光LED

鋰離子電池在完全充滿電時可以提供4.2V的輸出電壓,在很短的一段工作時間內(nèi)其值會下降到標(biāo)稱的3.6V電壓。由于鋰離子電池放電,其輸出電壓會進一步下降到3.0V。如果白光LED直接由鋰離子電池驅(qū)動,則會產(chǎn)生的問題是:當(dāng)鋰離子電池充滿電時,所有的LED都被點亮,但會具有不同的光強和色彩。當(dāng)鋰離子電池電壓下降至其標(biāo)稱電壓時,LED光強減弱,并且白光間的差異變得更大。因此,在實際設(shè)計中必須考慮鋰離子電池電壓和LED正向電壓的數(shù)值,且需要計算串聯(lián)限流電阻的阻值。由于鋰離子電池能量會隨著放電時間延長而減少,故部分白光LED將會完全熄滅。如圖2所示是驅(qū)動并聯(lián)白光LED的三種電路,三種電路調(diào)節(jié)白光LED電流的方法如下。

 

 

圖2 驅(qū)動并聯(lián)LED的三種電路

①獨立調(diào)節(jié)流過每個白光LED的電流。

②只調(diào)節(jié)電源電壓,依靠白光LED的一致性和串聯(lián)限流電阻使電流匹配。

③調(diào)節(jié)流過一個白光LED的電流,依靠白光LED的一致性和串聯(lián)限流電阻使其余的白光LED電流得到匹配。

(1)獨立調(diào)節(jié)流過每個白光LED的電流

①集成白光LED電流調(diào)節(jié)器。若采用一個獨立電源驅(qū)動白光LED的正向?qū)?,那么只需設(shè)計電流控制電路,以提供在白光LED滿亮度時所需的驅(qū)動電流。

如圖3所示電路是利用MAX1916以恒定電流驅(qū)動3個白光LED的電路,它是白光LED亮度匹配的低成本解決方案G在該電路中將電流設(shè)置在所要求的白光LED最大亮度電流與最大額定電流之間;為了保持各白光LED的亮度一致,電流必須有較好的匹配度,典型的電流匹配度為0.3%;設(shè)定電流精度為±10%;設(shè)定每路輸出的壓差小于410mV,以保持20mA的電流。這樣只需4.2V即可驅(qū)動3.8V的白光LED;將白光LED引腳電流設(shè)為流人SET引腳電流的230倍;為給SET引腳提供偏置電流,把RSET連接到SET引腳,利用大于1.215V的電壓為SET引腳提供偏置電壓。采用MAX1916驅(qū)動白光LED的三種電流調(diào)節(jié)電路如4所示。

 

 

圖3 MAX1916以恒定電流驅(qū)動3個白光LED的電路

 

 

圖4 MAX1916驅(qū)動白光LED時的三種電流調(diào)節(jié)電路

方法一:用DAC驅(qū)動RSET端,如圖4(a)所示。白光LED電流是DAC輸出電壓減去SET引腳偏置電壓的函數(shù)。DAC可以選用50723封裝的低成本MAX5360~MAX5365系列IC。

方法二:利用控制器的I/0引腳控制多個電阻,可組成一個簡易的亮度調(diào)節(jié)器,如圖4(b)所示。將控制引腳在高態(tài)(ON)和低態(tài)(OFF)之間切換,以得到所要求的SET引腳電流。

方法三:利用邏輯電平PWM信號驅(qū)動EN引腳,如圖4(c)所示。許多處理器的端口都能提供占空比為0~100%的低頻PWM信號。MAX1916的EN引腳的響應(yīng)時間允許PWM運行在高達(dá)2kHz左右的頻率下。

②集成電荷泵升壓電源與電流調(diào)節(jié)器。低成本的MAXI 574/MAX1575/MAX1516Y電荷泵結(jié)合了升壓和電流調(diào)節(jié)功能,這些器件具有較高的輸出電流、很好的電流匹配度及較高的工作效率,并可提供自適應(yīng)模式切換、過壓保護,可驅(qū)動8個白光LED。

自適應(yīng)切換電路主要用于對輸入電壓進行檢測,并確定效率最高的升壓比(如1倍壓模式、1.5倍壓模式或2倍壓模式)。該電路利用一串脈沖碼,通過EN使能引腳,可以調(diào)節(jié)白光LED的亮度(相當(dāng)于設(shè)置電流的百分比)。

采用MAX1574電荷泵驅(qū)動白光LED的電路如圖5所示,該電路能夠以高達(dá)180mA的電流驅(qū)動3個白光LED。1MHz的開關(guān)頻率允許電荷泵使用小尺寸陶瓷電容。采用MAX1576Y電荷泵驅(qū)動白光LED的電路如圖6所示,該電路能夠以高達(dá)480mA的總電流驅(qū)動兩組(每組4個白光LED)白光LED。對于處于閃爍狀態(tài)的白光LED組,該電路允許每個白光LED電流達(dá)到100mA。每組白光LED具有獨立的電流設(shè)置、脈沖亮度調(diào)節(jié)和兩線亮度控制。利用自適應(yīng)開關(guān),在單節(jié)鋰離子電池的整個放電過程中,電路的平均效率可以達(dá)到83%。對于使用白光LED閃光燈的數(shù)碼照相機,選用MAX1576Y構(gòu)成白光LED驅(qū)動電路是理想的選擇。

 

 

圖5 MAX1574電荷泵驅(qū)動三個LED的電路

 

 

圖6 MA1576Y電荷泵驅(qū)動兩組LED的電路

MAX1575是該系列產(chǎn)品的另一款芯片,它能夠以120mA的總輸出電流驅(qū)動兩組白光LED(4個主屏白光LED和2個子屏白光LED)。

(2)采用穩(wěn)壓輸出電源驅(qū)動電路

采用穩(wěn)壓輸出電源驅(qū)動電路與獨立調(diào)節(jié)流過每個白光LED的電流方法相似。使用穩(wěn)壓輸出電源的方法非常經(jīng)濟,但其電流調(diào)節(jié)精度不如獨立調(diào)節(jié)流過每個白光LED的電流方法。由于使用穩(wěn)壓輸出電源方法不能實現(xiàn)穩(wěn)流,所以流過每個白光LED的絕對電流必須保持在所要求的最大亮度電流與白光LED最大額定電流之間。電流匹配度必須足夠好,以便保持亮度均勻。采用穩(wěn)壓輸出電源驅(qū)動白光LED時、流過白光LED的電流可由穩(wěn)壓電源的輸出電壓(UOUT)減去白光LED正向電壓(UD),然后除以R確定。

 

 

如圖7 所示為典型便攜式電子設(shè)備中兩個白光LED的I-U特性曲線。在相同電流下,兩個白光LED的電壓并不相等。如圖8所示為白光LED的電壓差與電流的函數(shù)關(guān)系。

 

 

圖7 兩個白光LED的I-U曲線

 

 

圖8 白光LED的電壓差與電流的對應(yīng)關(guān)系曲線

針對白光LED正向電壓的匹配度對電流匹配度的影響,可利用式(2-9)計算流過兩個白光LED電流的比值,為

 

 

式(2-9)可簡化為

 

 

當(dāng)輸出電壓UOUT非常高時,式(2-10)的結(jié)果趨于1。因較高的輸出電壓UOUT有助于得到較好的電流匹配度,故電阻R必須與UOUT-UD成比例增大,以便保持恒定電流。較高的輸出電壓UOUT會使電阻R上消耗的功率增大。為此在電路設(shè)計時需要折中選擇電路效率和電流匹配度。

例如,以5V電源驅(qū)動3.60V的白光LED,電阻R上的電壓為1.40V若換成3.42V的白光LED,則R上的電壓將增加到接近1.58V,白光LED電流將增加13%。需要注意的是,此時的白光LED電壓僅有5%的變化。

①絕對精度。使用穩(wěn)壓輸出電源驅(qū)動白光LED的電流的絕對誤差可通過用式(2-8)計算出電流I后,再利用UD,與ILED的關(guān)系曲線(圖8)進行計算。將與所期望的工作電流I對應(yīng)的UD標(biāo)稱電壓及所選擇的UOUT代入式(2-8),可以解得電阻R值。得到電阻R值后,再利用白光LED數(shù)據(jù)資料中最差條件下的UD求解式(2-8)。此時需考慮溫度變化對UD的影響,這樣就能夠得出白光LED電流的范圍,電流必須小于白光LED的最大額定值。

②亮度調(diào)節(jié)。在穩(wěn)壓輸出電源驅(qū)動電路中,可通過改變UOUT來調(diào)節(jié)白光LED電流。在使用同一電源時,并不推薦這種方法??晒┻x擇的是用MOSFET與開關(guān)電阻并聯(lián)組成簡單的亮度調(diào)節(jié)器,如圖9所示。但是,當(dāng)需要多級亮度調(diào)節(jié)時,這種方法的成本將急劇增高。這時應(yīng)考慮采用集成方案或串聯(lián)驅(qū)動方式,并用MOSFET控制與R1b~R3b并聯(lián)的電阻R1a~R3a以進行亮度調(diào)節(jié)。

 

 

圖9 MOSFET與開關(guān)電阻并聯(lián)組成簡單的亮度調(diào)節(jié)器電路

(3)穩(wěn)流輸出變換器

在采用穩(wěn)流輸出變換器驅(qū)動白光LED的電路中,流過其中一個白光LED的電流通過電阻R1檢測,并由變換器調(diào)節(jié)該電流。變換器的類型可以是電感式開關(guān)變換器,也可以是電荷泵或線性穩(wěn)壓器。白光LED電流方程與式(2-8)相同,但條件不同,這里穩(wěn)定的是I1,而不是輸出電壓UOUT,公式為

 

 

式中,UFEEDBACK為反饋電壓。

由于只調(diào)節(jié)了一個白光LED的電流,則其余白光LED的正向壓差會導(dǎo)致電流誤差的產(chǎn)生,改進后增大R1,的電路如圖10所示。因為電流必須保持恒定,故可將R1分為R1a和R1b。R1b控制電流,R1a控制輸出電壓,可達(dá)到所要求的電流匹配度。將R1=R1a+R1b代人式(2-8),將R1=R1b,代入式(2-11)。為使電流匹配,將R2和R3,設(shè)置為R2a+R2b,R3a+R3b。為此采用穩(wěn)流輸出變換器的電路的電流匹配通過增大R1a得到了改進。

 

 

圖10 增大R1的改進驅(qū)動電路

如圖11所示電路為利用MAX1910/MAX1912電荷泵實現(xiàn)LED電流調(diào)節(jié)的電路。在圖11中增加了亮度調(diào)節(jié)電路,且所有白光LED共用一個檢測電阻、以便調(diào)節(jié)總電流。為提高效率,控制器有1.5倍壓和2倍壓升壓模式可供選擇。電路可提供高達(dá)120mA的輸出電流,這具體取決于輸入電壓。

 

 

圖11 利用MAX1910/MAX1912電荷泵實現(xiàn)電流調(diào)節(jié)的電路

驅(qū)動串聯(lián)白光LED時,由于流過每個白光LED的電流相同,故可以獲得均勻的亮度。串聯(lián)驅(qū)動的缺點是驅(qū)動電壓為各白光LED正向壓降相加之和,驅(qū)動器的輸出電壓幅值應(yīng)滿足LED串聯(lián)后所需的驅(qū)動電壓。這種串聯(lián)配置需要使用電感式升壓開關(guān)變換器,以便在高壓時獲得高效率。在選擇這種類型的變換器時,必須考慮LX引腳的額定輸出電壓。

表1給出了幾款電感式升壓開關(guān)變換器Lx引腳的額定電壓及可以驅(qū)動的串聯(lián)白光LED的數(shù)量。LX引腳的最大額定電壓與白光LED串聯(lián)后的最大電壓之間需要保留一定的安全裕量,以允許過壓關(guān)斷。

 

 

表1 選擇適當(dāng)器件驅(qū)動所要求的串聯(lián)LED

如MAX8596Z是專為驅(qū)動多達(dá)8個串聯(lián)白光LED設(shè)計的電感式升壓開關(guān)變換器,MAX8596Z的應(yīng)用電路如圖12所示。該器件具有2.6~5.5v的輸入電壓范圍,允許單節(jié)鋰離子電池或三節(jié)NiCd/NiMH電池為IC供電。MAX8596Z采用了節(jié)省空間的8引腳TDFN封裝,且工作于1MHz頻率的PWM方式,困此它允許選用小巧的外部元件。MAX8596Z具有32~36V的過壓鎖存門限,當(dāng)出現(xiàn)白光LED開路時能夠有效保護IC。另外,器件還具有高溫降額功能,當(dāng)溫度超過+42℃時輸出電流會降低,以便減小白光LED的功耗。

可用任意直流電壓或未經(jīng)濾波的PWM信號驅(qū)動MAX8596Z的CTRL引腳,以實現(xiàn)白光LED電流的調(diào)節(jié)。0.24~1.72V的CTRL引腳電壓可驅(qū)動從最暗到滿亮度的白光LED。超過1.72V時,輸出電流被鉗位在最大值。采用200Hz~200kHz的PWM信號時,誤差信號放大器的補償電容可用做PWM信號濾波,如圖12所示電路不需要輸入濾波器。

 

 

圖12 用MAX85962開關(guān)調(diào)節(jié)器驅(qū)動8個白光LED的電路

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