小型LCD背光的LED驱动电路设计考虑因素

    过去几年来，小型彩色LCD显示屏已经被集成到范围越来越宽广的产品之中。彩色显示屏曾被视为手机的豪华配置，但如今，即便在入门级手机中，彩屏已成为一项标配。幸好，手机产业的经济规模性(全球手机年出货量接近10亿部)降低了LCD彩色显示屏的成本，并使它们集成在无论是便携医疗设备、通用娱乐遥控器、数字相框/图像查看器、教育玩具，或是最新具有WiFi功能的VoIP无绳电话等其他产品中都具有吸引力。

　　彩色LCD显示屏需要白色背光，以便用户在任何光照环境下都能正常地观看。这个背光子系统包括1个高亮度白光发光二极管(LED)阵列、1个扩散器(diffuser)以扩散光线和1个背光驱动器将可用电能稳压为恒定电流以驱动LED。一块1到1.5英寸的显示屏可能包含2到4个LED，而一块3.5英寸显示屏则可能轻易地就包含6到10个LED。对于LED而言，其光输出与电流成正比，而且由于LED具有非常陡峭的电流-电压(I-V)曲线，流过LED的电流紧密匹配是非常重要，这样才能确保均衡背光，因为LED通常分布在LCD显示屏的一边。此外,也需要软件控制让用户调节亮度，以及针对周围光照环境作出补偿。根据流经LED电流的不同，LED的色点(color point)可能会漂移。因此，将LED电流设定为固定值并对LED进行脉宽调制以降低平均光输出就很普遍。要在手持产品设计中集成小型彩色LCD显示屏并进而实现成本、性能和电池寿命的恰当平衡，存在着一系列需要考虑的因素。

　　电池供电产品需要优化的LED驱动电路架构，这些架构要处理并存的多项挑战，如空间受限、需要高能效，以及电池电压变化—既可能比LED的正向电压高，也可能低。常用的拓扑结构有两种，分别是LED采用并联配置的电荷泵架构/恒流源架构和LED采用串联配置的电感升压型架构。这两种方案都有需要考虑的折衷因素，如升压架构能够确保所有LED所流经的电流大小相同但需要采用电感进行能量转换，而电荷泵架构使用小型电容进行能量转换，但所有LED并联排列得太过紧密以致电流匹配成为均衡背光所面对的一项棘手问题。图1展示了这两种架构的示例。
　　　　　　　　　　


　　　　　　　　　　　

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　图1：电荷泵和电感LED驱动器电路图

　　设计时应做好以下几点

1． 评估显示屏的大概使用时间

　　选择白光LED驱动器时，需要考虑到显示屏的使用频率。如果显示屏会被长时间背光观看，拥有高效率的转换器对电池使用时间就显得至关重要。较大的显示屏需要较多的LED，而显示屏使用时间较长的应用则会从能效更高的升压型拓扑中受益。相反地，如果显示屏仅用于短时间背光，那么效率就可能不是一项关键的设计参数。

2． 仔细考虑LED选择

　　LED技术持续快速改进，制造商在使用新的材料、制造技术和LED设计来为同等大小的电流释出更大的光输出，这样一来，几年前需要4个LED进行背光的显示屏如今可能采用2个LED就能实现同样的背光亮度。不仅如此，过去通常使用冷阴极荧光灯(CCFL)进行背光的4到7英寸较大显示屏，如今正在转向使用LED进行背光。此外，LED的正向电压正趋向更低。因此，不仅需要考虑驱动器制造商的数据表曲线上的驱动器效率，还需要基于采用所选LED对驱动器进行的评估来予以考虑。表1列举了几款LED的一些重要规范，显示了这些LED 在正向电压和发光亮度等方面的差别。需要说明的是，正向电压范围的变化较大，这意味着驱动器的效率应该采用LED规范的极限值来进行评估。
　　　　　　　　　　　　　　


　　　　　　　　　　　　　　　　　　　表：几种不同的LED的特性参数

3. 注意布线

　　即使各个LED采用10到20mA的极低电流来驱动，流经转换器的峰值电流也明显高得多。这对于电感拓扑结构而言犹为如此，因为峰值开关电流可能是 LED平均电流的10到20倍。因此，需要使用适当的低损耗布线技术。对电荷泵型拓扑结构而言，电容应该布置在邻近驱动器的位置，使回路面积减至最小以避免辐射开关噪声。对于电感升压型转换器而言，输入和输出电容以及电感应设在邻近驱动器的位置。此外，电流设定电阻(Rfb)应该直接连接至芯片的接地，因为内部参考和检测电压之间的错误会直接影响LED电流精确度。

4. 在真实环境下测您的试产品

　　考虑显示屏在外界高亮度光照条件下的表现，并确保软件调光控制拥有足够的动态范围，从而在预期的光照环境下能够充分地对显示屏进行调光。

　　应该注意避免以下问题

1． 忘记考虑边界和故障模式

　　错误总会发生，如果LED对地开路或短路，驱动器应该如何处理这个问题？对于电感升压驱动器而言，如果LED串开路，输出就会激增，因为恒定电流会对输出电容进行充电，从而需要过压保护，但这种功能可能会、也可能不会集成在驱动器中。这在工厂测试中可能会成为一个问题，因为显示屏在某些测试步骤中可能还未被安装。此外，评估产品开启时的浪涌条件也很重要，因为此间大量的电流消耗可能将电池电压降低到最低工作阈值之下。采用软启动和/或对不同电路模块进行软件排序就能够将这个问题最小化。

2． 只盯着峰值效率

　　由于用户可调节背光亮度，因此需要考虑显示屏背光预计会在大多数工作时间内的驱动器效率。评估驱动器的效率时，需要考虑LED预计的工作条件、电池电压范围和正向电压变化。电感型驱动器拥有更佳的峰值效率，对输入和输出电压变化也有更大的容限。

3． 忽视外部元件选择

　　在所有设计案例中，都应该考虑采用低的等效串联电阻(ESR)X5R或X7R陶瓷电容使损耗降到最低。同样在电感型案例中，(若有外部的)肖特基整流器的正向电压降和电感的ESR会影响效率。举例来说，使用带有0.3Ω ESR的电感来以20mA电流驱动5个串联的LED时，效率会比带1.3Ω ESR的电感高5%。当然，这并不是没有代价的，因为电感的ESR越低，提供相同电感值所对应的尺寸越大。所幸的是，如今也有许多新型的小尺寸电感器，它们容许LED驱动器置于显示器的下面。