本文將為設計人員介紹各種基于LED的背光照明設計方案選項，以及提供在考慮成本因素和各種設計方法利弊的前提下，如何優(yōu)化系統(tǒng)性能的指引。
LED正成為中小型彩色顯示器背光照明應用的主流器件。LED的選擇是決定顯示子系統(tǒng)設計最佳性價比的關鍵因素。此外，LED驅動IC，尤其是最新的產(chǎn)品，能與較低成本的LED協(xié)同工作，透過多種方法提升現(xiàn)有LED的性能 。除亮度控制外，這些驅動IC還能實現(xiàn)精確的亮度匹配， 或允許使用一系列具備不同VF特性的LED。
LED驅動電路
設計人員在決定便攜應用中LED驅動電路的最佳性價比時，可有幾種選擇，并取決于所設計系統(tǒng)的類型。某些系統(tǒng)側重于成本，某些注重性能，而大多數(shù)則講求必須達到成本和性能的平衡。系統(tǒng)設計的其中一個約束條件是可用電池功率和電壓，其它約束條件還包括功能特性，例如針對環(huán)境光線作出調整及建立LED的架構（串連、并連或矩陣）。
作為生產(chǎn)工藝的一部分，LED可根據(jù)不同參數(shù)進行篩分，包括正向電壓及特定正向電流時的色度和亮度。舉例說，白光LED的正向電壓范圍通常為3.5V 至4V，典型工作電流為15mA 至20mA。當多個LED在一個背光照明設備應用時，這些LED通常都會進行匹配，以產(chǎn)生均勻的亮度。因此，LED制造商所提供經(jīng)“差異篩選”或匹配的LED，在某個特定電壓范圍內(nèi)其VF或其它參數(shù)都是匹配的。這些VF 差異通常為3.5~3.65V、3.65 ~3.8V ，以及 3.8~4.0V。
一般來說，LED的VF值是系統(tǒng)設計的重要變數(shù)。因為由普通電池供電的便攜產(chǎn)品如蜂窩電話所使用單一的鋰離子電池，其電壓范圍為2.7 至 4.2 V。如果將系統(tǒng)對電池工作電壓的要求設計為不低于3V，設計人員就可以直接使用低至3V且未經(jīng)穩(wěn)壓的電池電壓來驅動LED。
其它經(jīng)匹配的差異級別包括發(fā)光強度和色度。色度決定顯示的顏色，大多與執(zhí)行設計所使用的半導體工藝有關。電氣工作條件對色度的影響很小。對于發(fā)光強度而言，篩選工藝可測量在給定正向操作電流下的發(fā)光強度。例如，QTLP601C-EB具有兩種發(fā)光強度差異級別：I1 的8-16 mcd和I2 的13-26 mcd ，以及三種主要波長差異級別：W1 的 465-470 nm、W2的470-475 nm及W3的475-480 nm。所有差異級別都是通過5 mA正向電流測試下建立的。差異篩選工序會增添額外成本 。
使用LED驅動IC優(yōu)化設計
目前，市面上已有能夠驅動多個LED的驅動IC，所提供的功能包括電壓提升以至驅動多個串聯(lián)LED以便與每列包含一個或多個LED的多列LED進行電流匹配。特定驅動IC可提供獨立于LED VF的精確電流匹配，使用這類IC可省去VF差異篩選的有關費用。另一項常用功能是亮度控制，有助于提供更多功能和改善電源管理。LED會消耗5-20 mA的電流。由于系統(tǒng)中有多個LED，故顯示照明部分的功耗占據(jù)系統(tǒng)總功耗的重要部分。因此，亮度控制是一項重要功能，會直接影響功耗。較低亮度意味著顯示背光照明的功耗較低。
多個LED的亮度匹配
將多個LED連接在一起使用時，正向電壓和電流均必須匹配，整個組件才能產(chǎn)生一致的亮度。實現(xiàn)恒定電流最簡單的方法，便是將經(jīng)過正向電壓篩選的LED串聯(lián)起來。篩選工作可由LED供應商進行，以享有若干成本優(yōu)勢，又或可在用戶的制造場所完成，但會減少篩選的產(chǎn)量和增加組裝成本。篩選過程能夠按照設計人員的匹配要求建立已匹配產(chǎn)品的差異等級。
成本考慮
手持設備顯示器的照明通常需要4、6或8個LED驅動；顯示器越大，所需LED的數(shù)量越多。可攜式手持設備如PDA便需使用較多的LED。隨著系統(tǒng)采用匹配LED的數(shù)量增加，有關成本也會因為所需的差異篩選工藝而相應增加。在這情況下，驅動IC提供了良好的解決方案。驅動IC除能控制亮度外，還能全面地匹配亮度，因而可透過具成本效益的途徑提升系統(tǒng)性能。
最簡單的驅動設計：串聯(lián)
串聯(lián)LED能確保供應至各個器件的電流一致。由于LED的VF通常在3.3V或以上，現(xiàn)今普遍的方法是將電壓提升至12V以上水平，并驅動串聯(lián)LED以獲得一致的亮度。這就是采用基于電感的DC/DC設計，而不是電荷泵，因為后者不能有效地將電壓提升至所需的電平。圖1所示為驅動4個串聯(lián)LED組件的典型驅動IC電路，它具有從LED到驅動電路的反饋功能和附加的調節(jié)電阻器，可以實現(xiàn)亮度調暗功能。
如果總體正向電壓VF為12V的4個LED與16V驅動電路一起使用，就必須使用具有升壓功能的簡單LED驅動電路，以便為每個LED提供充足的電壓，這驅動電路可將鋰離子電池的2.7至4.2 v電壓范圍提升至16至17 v，用來驅動LED。這是傳統(tǒng)的解決方案。由于經(jīng)差異篩選LED的VF值存在一個變化范圍，LED之間的壓差會隨之變化，有可能影響亮度的均勻性。
LED驅動IC選項
上面所述的亮度調暗是LED驅動IC的重要新增功能，可通過驅動電路為LED施加PWM調制脈沖，以獲得總功率的10~100%。此舉能節(jié)省功耗，同時也為最終產(chǎn)品提供用戶可調節(jié)的功能。如前所述，顯示器是損耗最多功率的子系統(tǒng)之一。例如，在16V電壓下電流為15~20 mA的白光LED，其功耗為240~320 mW。而LED驅動電路的亮度調暗功能可降低整個系統(tǒng)的功耗，延長電池壽命。
現(xiàn)有驅動IC還具有其它功能特點， 包括軟起動、短路保護，以及能將外圍部件數(shù)減至最少的LED驅動電路。
并聯(lián)設計選項
并聯(lián)驅動是下一步要實施的方案。在并聯(lián)設計中，多個LED由具備驅動器決定的獨立電流電平的驅動電路來驅動。并聯(lián)設計基于低驅動電壓，因此無需帶電感的升壓電路。此外，并聯(lián)設計提供低電磁干擾、低噪聲和高效率，因而能延長電池壽命。另一個重要優(yōu)點是這種配置的容錯性較強。在串聯(lián)設計中，一個LED發(fā)生故障就會導致整個背光照明子系統(tǒng)失效，而并聯(lián)設計可避免這種個嚴重缺陷，提高系統(tǒng)的容錯性。
有源電流匹配并聯(lián)設計
現(xiàn)有兩種用于并聯(lián)配置的驅動IC：一種是具匹配VF的LED驅動IC；另一種是利用未匹配VF 的LED驅動IC。
驅動匹配的LED
圖2a中的電路使用具有內(nèi)部匹配電流源的LED驅動IC，來驅動并聯(lián)的匹配LED。驅動IC在現(xiàn)有的3.3至5.5V總線電壓下運行，LED的電流通過單一的外部電阻器來調節(jié)。由于不需要DC/DC轉換進行升壓，故無需采用外部電感，因此電路的電磁干擾和紋波可達到最小。如果電源電壓穩(wěn)定且經(jīng)過穩(wěn)壓處理，VDD (VIN) 和Vcontrol便可連接在一起。最重要的是，無需為每個LED配備額外的電流設置電阻器來提高效率。如果有更高壓的穩(wěn)定電壓，此電路還能為額外的串聯(lián)LED提供匹配電流，但其電壓必須至少為0.3V +N*VF，如圖2b所示。
驅動未匹配LED
為了驅動未匹配的LED，并省去與差異篩選有關的成本，便需要使用可為每個LED提供獨立電流控制環(huán)路的IC。圖3所示為驅動白光、藍光或任何多色LED的電路，并使用具有此項功能的IC來獲得均勻亮度。LED可擁有廣泛的VF分布，而驅動IC將均勻地匹配各電流以獲得均勻的亮度，并可在現(xiàn)有的3.3至5V總線電壓下運行。這些電路具有數(shù)字化亮度控制功能，由微處理器驅動的PWM來實現(xiàn)，功效高（>90%），而且不產(chǎn)生電磁干擾和紋波。
高效電路
圖4所示為另一種使用未匹配白光LED的電路，可在通常無外升壓線路的設備中，如移動電話使用。這個電路的驅動IC具有內(nèi)置電荷泵升壓，直接用鋰離子電池驅動多達4個并聯(lián)LED，并獲得均勻亮度。
電路中的驅動IC會測量所有LED的VF，選出最高VF的LED，并將Vout提升至驅動這個最大VF LED所需的最低電平。該IC可驅動白光或藍光LED，并獲得均勻亮度。該電路可為每個LED提供獨立的電流控制環(huán)路，因而無需進行LED預選或差異篩選。這是真正的數(shù)字化亮度控制（0、6、12、18mA），具有內(nèi)置DC/DC轉換的真正PWM控制，帶來低噪聲、低紋波和低電磁干擾。
矩陣設計：先進的白光LED驅動電路
矩陣設計驅動IC可為多個串聯(lián)電路提供獨立控制。采用高級LED驅動芯片，就可使用未匹配的白光LED，而其升壓電路具有智能感應功能，可將電壓提升至恰好足夠的水平，以驅動具有最高總體VF壓降的白光LED串聯(lián)組件。這種自適應輸出電壓功能可將電感的體積減至最小，以便節(jié)省成本和占位空間。由于升壓只提升至最低的電平，保證能滿足任何串聯(lián)信道所需的標稱電流，因此能實現(xiàn)高效率。這串聯(lián)驅動方案可以驅動兩個獨立的LED組件，各有四個串聯(lián)LED，并具有獨立的亮度控制功能。
每個串聯(lián)信道具有獨立的亮度控制，而且升壓電路具有內(nèi)置肖特基二極管，無需外部二極管，從而節(jié)省了電路板空間。內(nèi)置升壓電路的功效不低于90%，有助延長電池壽命，且具有軟件啟動功能、低電磁干擾和極少紋波等特點。各信道獨立的LED控制使設計更為靈活，并只需一個驅動器即可同時驅動LCD和鍵盤。舉例說，F(xiàn)AN5608驅動IC帶有內(nèi)置數(shù)字/模轉換器(DAC)，具有模擬感應功能，可讓用戶選擇使用模擬、數(shù)字或PWM方式控制亮度。該驅動IC集成了溫度控制功能，可將LED使用壽命提高達50%。
根據(jù)應用選擇合適的設計方案
LED背光照明應用有多種設計選項。視乎應用的不同，設計方案可以利用經(jīng)差異篩選的低VF LED直接驅動，以至采用驅動IC來驅動未匹配的LED。現(xiàn)有的設計方案結合眾多種類的LED和全線的驅動IC產(chǎn)品，能夠優(yōu)化系統(tǒng)成本、提高系統(tǒng)功效，以及通過有源亮度匹配和容錯操作來達致更高性能。 |
