手机白光LED驱动电路的设计和实现

　　多年来，发光二极管（Light Emitting Diode;LED）已经广泛使用在状态指示以及信息显示屏上，现在我们更可以在常见的红、绿及黄光之外，选用蓝光以及广泛应用于便携式设备的白光产品。举例来说，白光LED被认为是彩色显示设备的理想背光照明，但在为这些新型LED设计电源时，我们必须注意其本身的特性。本文对手机白光LED驱动电路分析和解决。
   　　推动移动电话显示由单色转换为彩色的一个主要趋势是拍摄功能的集成。最初这些成像器件的分辨率相当有限，同时图像质量也不佳。但随着技术的发展，分辨率由30万像素的VGA等级进展到100至200万级像素，并快速朝向300万像素以上的分辨率级迈进。在成像器件、处理器与软件不断得到改进后，消费者现在希望得到更多的数码相机功能，例如低照明情况下需要的闪光灯，甚至是自动对焦等。在这样的分辨率下，良好的画质输出以及图片与视频分享变得更加实用，这些更高密度的CMOS成像器件需要从目标获得更多的反射光，因此进一步推动了集成闪光功能的需求。
   　　LED驱动设计的新要求
   　　LED在具体的使时，要注意驱动电路的选用。LED 驱动电路除了要满足安全要求外，另外的基本功能应有两个方面：一是尽可能保持恒流特性，尤其在电源电压发生±15%的变动时，仍应能保持输出电流在±10%的范围内变动。   二是驱动电路应保持较低的自身功耗，这样才能使LED 的系统效率保持在较高水平。根据能量来源的不同，LED驱动电路总体上可分为两类，一是AC/ DC转换，能量来自交流市电，二是DC/ DC转换，能量来自干电池、可充电电池、蓄电池等。根据LED驱动原理的不同，又可以分为线性驱动电路和开关驱动电路。
   　　要将传统的氙气闪光灯放置到尺寸相当紧凑的手机内对设计工程师来说极具挑战性，因为除了粗大的闪光用高压电容外，还必须加上灯泡以及相关的变压器与电子线路，而传统的闪光灯也不适用于视频拍摄的用途。庆幸的是，LED制造商已经着手通过采用如氮化铟镓（InGaN）等新材料来提升功率LED的光输出。
   
    图1：基于NCP5005的电感式LED驱动电路。
   　　另一方面，半导体制造技术的创新以及封装方式的改进也提高了能够产生的流明数以及光电转换效率。要产生最高的光输出，这些功率LED可能需要400mA或更高，且脉冲宽度在50到200ms的电流输出能力。但是对视频应用来说，则需要较小的电流，但时间却不仅限于单一脉冲。除了尺寸的限制以及人体工学的考虑外，这些相机模块通常会集成在屏幕的后方或上方，以便使用者可以利用LCD作为抓取图像的取景器，这在折叠式手机上特别常见。成像器件与镜头机构可能还必须能够旋转，以便手机可以在视频会议模式下作为面对面沟通的工具，这在3G网络的电话设计上预计将更加普遍，因为有足够的带宽可以运用在视频会议上。
   　　在讨论这些趋势时我们可以明显地看出，屏幕显示的质量与分辨率变得越来越高，同时尺寸也越来越大，特别是具备丰富多媒体功能的手机，预计未来将有越来越多的内容，如流视频或广播视频、互联网浏览与电子邮件、拍照与相片查看，以及游戏和信息获取服务等。因此，当手机在没有通话时屏幕使用将更为频繁，但是如果手机的电池续航能力不够，这些功能都将受到限制。因此，高效率的系统电源管理，包括屏幕与按键的背光电源管理就变得相当重要，而诸如相机闪光灯等以往只有在高端手机中才能看到的功能也将逐渐成为标准配置。
   　　这些也将对白光LED背光驱动电路的设计带来挑战：更大的屏幕代表了有更多的区域需要背光，因此必须提升驱动器件的整体效率；由于空间有限，所以必须在单一封装中集成更多的功能；由于考虑的不仅是大小，厚度也必须缩减，特别是滑盖与折叠式造型的产品。
   　　驱动电路方案
   　　手机中白光LED驱动电路经常使用两种架构：LED以串联方式连接的电感升压转换电路；每颗LED都通过稳定的电流源驱动的电荷泵驱动器。电感解决方案可以带来最佳的整体效率，而电荷泵方式由于使用小型陶瓷电容作为能量转换器件，因此体积最小。图1和图2分别给出了两种驱动架构的典型应用电路。当前，功率LED的效率不断地得到提高，降低了背光LED的功耗，因此可以用更少的LED提供更高的光输出。这意味着两、三年前需要4颗LED提供背光的1.5寸屏幕，现在只需两颗功耗只有一半的LED就能够得到相同的性能。
   
    图2：基于NCP5604A的电荷泵LED驱动电路。
    　　为了满足这个需求，就需要一颗能够驱动两个LED的新产品，并能以相当低的电流支持屏幕背光的低功耗待机运行。为了解决这个问题，NCP5602/12系列电荷泵LED驱动器件设计成可以支持超低电流的ICON模式，同时能够通过简单的单线式或传统的I2C串行总线提供两颗LED的普通背光功能。除了支持最新的轻薄封装趋势外，这些产品也在设计上采用新的极薄型LLGA微封装技术（2×2×0.55mm）来支持超薄应用。此外，部分改进的LED材料与设计拥有更低的正向电压（由3.6V降低到3.1V），因此对电感解决方案来说，相同的功率可以驱动更多的LED.而更复杂的LED驱动器件，如NCP5604A/B就拥有更多的电压转换模式选择，提供更优化的功率转换，同时集成电流源的功率耗损也更低，在手机电源所使用的锂离子电池的大部分工作时间内达到85%的转换效率（PLED/Pin）。
   
   　　LED闪光灯已经成为照相手机必备的配置，为此安森美开发出了NCP5608多重模式电荷泵LED驱动器，能够驱动4颗LED用于主屏幕与子屏幕的背光，以及可以提供用于驱动1W功率LED的高达400mA的高电流输出。这些功能在设计上共用一个高效率的电荷泵转换电路，以便将外接电容的数目降到最低。
   　　由于空间有限，特别是新型超薄直板手机以及翻盖手机，因此这款器件采用4×4×0.75mm的QFN封装。为了将控制驱动器所需的连线数降到最低，该器件采用了两线I2C数据总线作为控制配置接口。在驱动闪光灯LED上提供有4个专用通道，让引脚能够以并联方式驱动一个高功率LED,或用来驱动数个以较低电流工作的闪光灯LED.
   　　LED 驱动电路无法省略限流的装置，限流装置的阻抗越大，提供给LED驱动电流的条件越好。但是此类元件应具备自身承担的分压高，但功耗要小的特性，否则将使具有较高效率的LED 因为驱动电路的工作功耗太大而使总体系统的效率大为降低，有悖于节能高效的宗旨。所以应该采用电容、电感或有源开关电路等高效电路，取代电阻或串联稳压电路来作为LED 驱动器的限流主电路，这样才能保证LED 系统的高效率。
   　　应用展望
   　　当许多新兴的多媒体与数据服务变得越来越普遍，手机设计工程师也将持续面临需要集成更多功能（例如更大的屏幕、百万像素成像器件、视频处理以及应用协处理器等）的挑战，同时还得满足移动手机用户对待机与通话时间的要求，以及使用者对更长的视频播放、游戏与网络浏览的期望，这些都将需要更长的显示屏使用时间。幸运的是，高亮度LED效率以及创新性LED驱动器件的改进将能够帮助设计工程师满足这些需求，同时还能符合消费者对重量与尺寸的期望。
   　　目前手机彩屏背光主要采用白光LED（WLED），WLED 驱动器的功能就是要向WLED 提供恒定电流，减少电池电压变化时所引起led 亮度的变化以及不同led 之间的亮度不匹配。这样的WLED 驱动器随着时间的不同，不同的架构先后在手机中得到了大规模的应用。从2003~2005 年，在手机中流行使用的是电感升压型WLED 驱动器；2005~2007 年大规模使用的是分数电荷泵型WLED 驱动器；到2007 年初崭露头角、2008 年逐步流行的低压降恒流型WLED 驱动器，经历了一系列的发展历程。