工程師筆記本-亨利

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為微型LED應用設計的超小型驅動器

隨著技術的進步,LED正變得更小、更亮且功效更高。為了讓LED產生想要的亮度,需要由LED驅動電路提供恒定的電流。目前大多數手機採用微型白色LED及很小的LED驅動器,在整個彩色LCD顯示螢幕上產生精確和均勻一致的亮度。電池壽命主要由LCD的亮度決定,當電話處於通話狀態時,LCD所耗功率大約佔總功率預算的1/3。LED本身和調節電流的驅動電路都會消耗功率。在微型LED驅動器應用中,除了電池壽命外,電路板空間也是一項重要考量,這使LED驅動器拓樸結構的選擇變得比以往任何時候更為重要。

LED驅動器拓樸

鋰離子電池廣泛應用於手持設備,電池電壓範圍為滿充電時的4.2V到放電狀態的約3.3V。在背光應用中,白光LED在電流為20mA時通常展示出約3.4V的正向電壓(VF),但是,該電壓會隨溫度而變化。為了避免低電池電壓在工作期間LED出現閃爍現象,有必要導入升壓電路。兩種常用的升壓驅動器架構分別是開關電容器型和電感升壓型驅動器。

開關電容器電荷泵可平行驅動LED,該電路通常需採用4個0403型封裝的1μF的陶瓷小電容器,它提供了目前最緊密的解決方案,且不需要電感。圖1所示為採用2.5×2.5mm QFN封裝的三通道電荷泵驅動器,用一個外部電阻來設置LED電流。除了三個LED,所有需要的零組件都可以安裝在不到1平方公分的電路板面積內。

相較之下,電感升壓型LED驅動器則採用一個電感來提升電壓並以串聯方式驅動LED。這類驅動器的主要優勢在於流經LED的電流是相同的,可產生理想的亮度匹配;缺點在於線繞電感較大,具體大小取決於電感值和額定電流。例如,在背光應用中,額定電流為200mA的22μH電感高度為1~2mm,佔位面積為2×2~4×4mm。電感高度越低,其表面積就越大。根據不同的LED驅動器類型,可能還需要外部蕭特基二極體。假設一個封裝為SOT23的驅動器採用一個外部蕭特基二極體,則除了三個LED外,整體電路板面積約需1.5mm2。

比較所需的電路板資源可發現,如果用電荷泵方案取代電感升壓方案,就能節省更多的電路板面積。兩種拓樸的選擇經常由LCD LED的配置決定,這些LED通常採用串聯或並聯方式配置。具有串聯LED配置的LCD僅需兩個與LED連接的埠,而並聯LED配置的LCD所需的埠數則與LED的數量相同,還需再加一個公共接點。故對較大面板的LCD而言,人們寧願採用串聯結構以將連接點數量減到最少。

延長電池壽命

圖2為鋰離子電池電壓放電範例。此例中780mAh的典型手機電池被用來向工作電流為20mA的LED連續供電。電池放電時間顯示在水平軸上,結果得到的總持續時間為9小時多。如果把這個電荷泵驅動器與基於電感的解決方案相比較,測得的電池壽命(取決於電感升壓驅動器IC)僅有百分之幾的微小差異。

在電池電壓足以直接為LED直接供電時,電荷泵驅動器就工作在1x模式;當電池電壓下降到接近LED VF時,驅動器自動轉換到1.33x電荷泵模式,此時,輸出電壓在內部被提升到輸入電壓的1.33倍。圖2所示為驅動4個VF為3.3V、工作電流為20mA的LED時,整個電池壽命期間的電池電壓和電流工作曲線。在1x模式,輸入電流約為80mA,在1.33x模式增加到110mA。在1x模式,輸入電流基本上等於總LED電流(忽略1到2mA的靜態電流)。在1.33X模式,輸入電流大約為輸出電流的1.33倍;而在1.5x模式,輸入電流是輸出電流的1.5倍。在電荷泵模式中,輸入電流越大,電池消耗得越快。對於鋰電池應用,在驅動器保持在1.33x模式且不進入1.5x模式時,電池電壓可下降到3V。

電荷泵LED驅動器的優勢是能盡可能長時間地保持在1x模式,另外還有低輸出電阻(小於1Ω)和低LED接腳電壓降(大約150mV)特性。圖2顯示了本例中向電壓為3.5V之1.33x模式的轉換,轉換後的電壓比3.3V的VF高200mV。

 


圖2:鋰離子電池電壓放電曲線(LED VF為3.3V)。

 

 

LED正向電壓

LED的關鍵特性是VF與電流的關係。圖3顯示了工作電流為20mA、VF高達3.5V的LED電池壽命。

 


圖3:工作電流為20mA、VF高達3.5V的LED的電池壽命曲線。online

 

 

對於這種驅動器IC,輸出電壓必須比LED VF高200mV,因此必須將1x向電荷泵模式轉換的電壓設置到約3.7V。在電荷泵工作模式的時間越長,電池壽命就越短。在本例中,由於採用高於3.3V的3.5V VF,電池壽命會減少半小時,或總量的5%。

當從小於3.7V的電池電壓開始工作時,四模式分數電荷泵─包含一個1.33x模式開關架構─展示了比其它LED驅動器更高的效率。與僅工作在1.5x模式相較,在1.33x模式工作的優勢在於電源電流為110mA,效率比電源電流為122mA時提高了10%。但對更高VF的LED來說,電池壽命會更短。

與2~6個LED應用中所使用的電感升壓驅動器相較,分數電荷泵─特別是最新的四模電荷泵LED驅動器,可提供能與之媲美的效率。電荷泵的優點在於它們的結構緊密、便於實現且具有低噪音性能。這些功能的結合使它們成為手持設備中小型LCD螢幕背光照明的極具吸引力解決方案。LED的正向電壓特性及其驅動器指標是選擇微型LED和驅動器IC的重要參數。

作者:Fabien Franc

產品應用經理

Catalyst半導體公司

 

 

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