線性匹配獨(dú)立電流源和傳統(tǒng)白光LED驅(qū)動(dòng)器解決方案

1 引言

早先的手機(jī)用廉價(jià)的彩色發(fā)光二極管(LED)作為鍵盤照明和單色液晶顯示器(LCD)背光源。隨著LED技術(shù)的不斷發(fā)展，手機(jī)鍵盤照明采用藍(lán)色和白色發(fā)光二極管。白光LED(WLED)是藍(lán)光LED加特殊熒光粉來(lái)達(dá)到產(chǎn)生白光的效果。由于WLED可以使LCD顯示器顯示全彩色光譜，因此，WLED是目前手機(jī)中占主導(dǎo)地位的背光源。除了全彩LCD背光源，WLED還可用于鍵盤、軌跡球和控制按鈕照明、照相機(jī)閃光燈和手電筒。

第一代WLED需要較高的正向電壓(>4.2 V)和正向電流(>20 mA)，以實(shí)現(xiàn)手機(jī)應(yīng)用必需的光度或亮度。這些電壓通常高于電池電壓，并需要驅(qū)動(dòng)IC來(lái)提升LED電源電壓。由于WLED需要大電流，因此往往是手機(jī)主要的耗電項(xiàng)。出于降低功耗并提高電池壽命的目的，采用更先進(jìn)的WLED工藝技術(shù)，降低了生產(chǎn)成本，生產(chǎn)更廉價(jià)的WLED，只需較小電流即可實(shí)現(xiàn)理想的亮度。由于這類WLED的正向電流已經(jīng)很小(<10 mA)，因此工作時(shí)所需的正向電壓也低。

2 TPS7510x線性匹配獨(dú)立電流源

TPS7510x本身固有的LDO線性穩(wěn)壓器拓?fù)?圖1)優(yōu)于傳統(tǒng)的同定模式、混合模式電荷泵以及電感升壓型轉(zhuǎn)換器拓?fù)洹Ｔ谠S多應(yīng)用中，TPS7510x可以替代上述設(shè)計(jì)方案。在所有可供選擇的設(shè)計(jì)方案中，TPS7510x能減少或省去許多外部元件，成本明顯降低。這樣不僅限制了物料成本，而且降低了額外元件造成的其他制造成本。

減少元件數(shù)量的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是可減小解決方案的尺寸。由于TPS7510x無(wú)需外部元件，因此解決方案的整體尺寸減小到與IC大小差不多的尺寸，即1.44 mm2(WCSP封裝)。TPS7510x的第3個(gè)優(yōu)點(diǎn)是，幾乎所有的輸入電流(99％)都能驅(qū)動(dòng)LED；電荷泵電容或升壓電感不消耗電流。這種省電架構(gòu)可將電池放電周期內(nèi)的平均效率提高至87％。電池額定電壓3.6 V時(shí)，該解決方案的效率通常大于99％。
而LDO拓?fù)渥畲蟮牧觿?shì)在于LED的正向電壓被限制在輸入電壓減去壓降(典型值30 mV，最大值100 mV)。由于如今可采用多個(gè)白光LED，其正向電壓通常等于或小于3 V，正向電流等于或小于移動(dòng)解決方案中的LED電流(3 mA～10 mA)，因此這種限制已不再是主要弊端。線性解決方案第二個(gè)已被證實(shí)的局限是，只能用于并聯(lián)LED配置。采用串聯(lián)配置時(shí)標(biāo)準(zhǔn)單節(jié)鋰離子電池應(yīng)用則需大的正向電壓。TPS7510x解決方案僅限于并聯(lián)LED配置。

3 固定升壓型電荷泵

在需要固定升壓型電荷泵的應(yīng)用中(圖2)，輸出電壓提高到一個(gè)固定值且LED電流通過(guò)個(gè)別電阻調(diào)節(jié)。這種方案由于采用低成本電荷泵因而價(jià)格相對(duì)低廉，但LED電流匹配性和效率較差(在電池放電周期內(nèi)平均效率為43％)。電荷泵的一個(gè)關(guān)鍵優(yōu)勢(shì)是減小LED正向電壓對(duì)電源電壓(通常正向電壓比電源電壓要稍小)的依賴程度。但是，由于電荷泵產(chǎn)生的電壓大到足以驅(qū)動(dòng)多個(gè)串聯(lián)LED，效率低且成本高，因此這種解決方案僅限于并聯(lián)配置。

TPS7510x針對(duì)上述應(yīng)用提供了一個(gè)高效升壓解決方案，減少了元件數(shù)量，降低了成本，但這僅限于正向電壓低于電源電壓的情況。

4 固定模式電荷泵

在混合模式電荷泵應(yīng)用中(圖3)，通過(guò)調(diào)節(jié)輸出電壓使流經(jīng)每個(gè)LED的電流保持恒定。這些IC的LED電流源匹配良好，這是由該解決方案的拓?fù)錄Q定的。但是，由于正向電壓不匹配，因此實(shí)際匹配情況并非理想。這些電路的效率為中等水平(電池放電周期內(nèi)的平均效率為70％)，允許正向電壓大于電源電壓。

在這些應(yīng)用中TPS7510x可明顯降低成本，提高效率。充電泵電路通常需連接一只或兩只開關(guān)電容以及輸入和輸出電容才能穩(wěn)定工作。如上所述，采用TPS7510x可減少元件數(shù)，減小解決方案尺寸并降低成本。相對(duì)于混合模式電荷泵解決方案而言，線性解決方案的缺點(diǎn)是LED正向電壓(凈空電壓)受限。然而，在LED電壓相同的情況下，混合模式電荷泵解決方案卻能很好的協(xié)同工作；不論LED正向電壓如何變化，TPS7510x均能匹配良好。

5 電感型升壓轉(zhuǎn)換器

在電感型升壓轉(zhuǎn)換器應(yīng)用(最常見(jiàn)的是用于驅(qū)動(dòng)串聯(lián)LED)中，如圖4所示，流過(guò)每一串聯(lián)LED的電流相等(理想的電流匹配)。對(duì)于電荷泵解決方案，允許使用正向電壓大于電源電壓的LED。在某些應(yīng)用如翻蓋式手機(jī)的背光LCD模組中，只有一個(gè)LCD驅(qū)動(dòng)線，電感型升壓轉(zhuǎn)換器則是最佳(有時(shí)甚至是唯一可行)的解決方案。

在某些應(yīng)用中，感應(yīng)式交換機(jī)可產(chǎn)生電磁干擾(EMI)，引發(fā)新問(wèn)題，此時(shí)可選用用高效、超低噪聲的線性TPS7510x。還可省去電感、輸出電容或反饋電阻，降低成本，性價(jià)比高。

6 結(jié)束語(yǔ)

隨著白光LED在手機(jī)中廣泛應(yīng)用，驅(qū)動(dòng)這些LED不再局限于單一的高電壓、大電流的解決方案。器件的廣泛應(yīng)用也推動(dòng)了解決方案的多樣化。而最近問(wèn)世的亮度更高、效率更高的白光LED只需較小電流就能驅(qū)動(dòng)，從而研發(fā)出一個(gè)采用線性電流源的新解決方案。該方案成本最低、元件數(shù)最少、尺寸最小，非常適合手機(jī)應(yīng)用。