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LED电源背光应用的管理方法

发布者:topday   发布时间: 2010-03-17 09:25 浏览次数: :

       大多数便携式电子设各的小尺寸彩色LCD显示器都采用白光LED作为背光源。这些LED驱动电路由输出电压随时间变化的电池供电。因此,最佳的LED驱动电路设计包括电池类型、LCD特性、系统功耗要求和效率、LED驱动器IC及其外部器件、PCB布局和器件布局、LED驱动器可能产生的噪声,以及移动电话应用中的RE抑制电路等内容。
     目前使用最广泛的电池是锂离子电池。这种电池的满电量电压为4.2V,但当电池放电时,电压下降到3.2V,因此驱动器电路必须工作在这一输入电压范围内。LED输人功率的变化会影响LED的亮度和效率。LED 的光输出与其电流成正比,因此为保持亮度不变,就需要专用驱动电路来控制LED阵列的每个LED,以使其保持恒定电流。当设各工作在低温条件下或者电池电压很低时,也必须如此。

  1.LED驱动IC

  如何实现LCD平板显示屏背光源驱动电路的高性能,是当前便携电子设备设计面临的重要挑战。在大多数背光设计中,白光LED沿LCD一侧均匀间隔排列。LED的数量与LCD尺寸成正比。有些LCD已经集成了以串联或并联方式连接的LED。一般情况下,较大尺寸的LCD要求采用串联LED拓扑结构、某些情况下甚至要求多个LED串并联。串联配置有益于确保一行中的所有LED都保持相同电流,而使这些LED在整个面板上具有相同的亮度。串联拓扑结构的好处是驱动器与LCD的连线最少,这通常可以通过采用小尺寸、低成本的挠性PCB 来实现。

   用于背光的小尺寸白光LED一般在通过20mA电流时的正向电压为3.4V。这些LED所要求的电压可能比电池能提供的电压高,因此必须对驱动器的输入电压进行升压。在LCD设计中提高LED的电压有两种方法:采用电荷泵拓扑结构或电感升压变换器。串联拓扑通常采用电感升压驱动器,而并联LED 拓扑则上般采用分数电荷泵。LCD配置和总体系统需求通常确定了是采用电荷泵还是电感升压变换器。电荷泵往往更加容易实现,并且可以确保噪声更低,而电感升压变换器则具有更高的效率。采用电感升压变换器驱动8个串联的白光LED电路如图1所示。


    采用分数电荷泵驱动3个并联白光LED的电路如图2所示。由于所要求的外部器件数很少,PCB占板面积也很小,因此电荷泵方案具有优势。1倍压、1.5分数倍压电荷泵支持两种工作模式,并能根据电池输入电压和LED正向电压自动进行模式选择。一般情况下,当电池电压超过3.6y时,驱动电路工作在“1倍压模式”,电源通过导通晶体管直接连接到输出。这种线性模式的效率最高且噪声最低。

  图2 采用分数电荷泵驱动3个并联白光LED的电路

  3.6V时,驱动电路从1倍压模式转换到1.5倍压模式,同时将输出电压5倍。分数电荷泵采用具有两个泵电容(见图2中的C1和C2)的开关配置,这两个电容将能量传输给负载。在模式切换期间,输入电流增加到1.5倍,从而加快了电池放电的速度。如对于三个通过⒛mA电流的LED来说,1倍压模式下的电源电流约为60mA,1.5倍压模式下的电源电流则上升到90mA左右。

   2.器件的选择

  ①LDO选择。由于移动电话、PDA、数码相机和视屏游戏机消费产品都是以电池为电源的,随着使用时间的增长,电源电压会逐渐下降,故LCD驱动IC需要一个稳定的工作电压,因此设计电路时通常由-个LD0提供一个稳定的2.8V或3.0V电压。LCD将安装在移动电话的上方,与移动电话的射频靠得很近,为了防止干扰,必须选用低噪声的LD0,如LP2985、AAT3215。

  ②白光LED。按背光源的设计要求,需要正向电压(UF)和正向电流(IF)小、亮度高(500~1800mcd)的白光LED。以移动电话 LCD为例,目前都使用的是3~4个白光LED,随着LED的亮度增加和移动电话制造商要求降低成本和功耗,LCD都会选用2个高亮度白光LED (1200~2000mcd),PDA和智能移动电话由于LCD屏较大会按需要使用4~8个白光LED。NACW215/NSCW335和 EL99-21/215UCW/TR8是自带反射镜的白光LED,EL系列的亮度分为T、S、R三个等级,T为720~1000mcd,S为 500~720mcd,都适用于移动电话LCD背光源的应用。

  3.LED驱动电路的设计

  白光LED的驱动需要供给恒定的电压或恒定的电流,而移动电话电源一开始工作后,其电压就开始往下降,因而需要升压变换器升压、稳压。为了减少升压器件的工作频率对移动电话射频电路的影响,一般选用由电容器传递电能的电荷泵。

  电容式电荷泵的效率按其升压方法分倍压和分数倍压二种,倍压电荷泵的效率约90%,分数倍压电荷泵的效率约93%~95%。而电感式升压器的效率约83%~85%。电容式电荷泵按其输出分为恒压输出、恒流输出,按其对LED驱动的方法分为并联恒压驱动、单个恒流驱动和串联恒流驱动。电感式升压器都是恒流输出,输出电压较高,且对LED串联驱动。

采用AAT3110倍压升压的电容式电荷泵驱动LED的应用电路如图3所示,电路为5V恒压输出,最大电流为120mA,采用并联驱动LED电路结构

  图3 AAT3 110电荷泵的应用电路

  采用AAT3114驱动LED的应用电路如图4所示,电路有4~6路IF流输出,每路能输出20mA的电流,单个恒流驱动LED,具有32级调光功能。AAT3134将输出DAC模块分成二块,其输出可分别驱动双屏显示的LCD模块。

 

 图4 A AAT3114电荷泵的应用电路

NCP5009是带光敏传感器的背光LED驱动升压变换器,适用于自动调光的高档移动电话 LCD。NCP5009的应用电路如图5所示。NCP5007是可恒流驱动5个串联LED、PWM调光的背光LED驱动升压器,其应用电路如图6所示。

图5 NCP5009的应用电路 

       新型的电荷泵输出端都内置了MOSFET,可动态地调整负载内阻,省去了为平衡由于LED内阻不一致需要外加的匀流电阻。开关工作频率高的电容式电荷泵,其所需的滤波电容器容量小,相对射频干扰也小。
 

  电容器最好选择陶瓷电容器,因为陶瓷电容器无极性并具有较低的等效串联电阻(ESR),其典型值小于 100mΩ。陶瓷电容器的等效串联电阻值、电介质材料的优劣、电容值的大小对输出纹波有重大影响。X7R电容器的电介质是最好的,成本略高;X5R电容器的电介质居中上,可以选用;Y5V的电介质较差,不推荐选用。

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