背光应用LED电源管理方法

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。

　　图1 采用电感升压转换器驱动8个串联的白光LED电路 [p]

　　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。 [p]

　　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 [p]

　　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 

       
　　 图6 NCP5007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。