采用系統級方法為小型LCD中的LED背光供電是值得的。
發(fā)光二極管（LED）技術(shù)廣泛用于為小尺寸液晶顯示器中的像素提供照明（ LCDs）在電池供電的應用中。由LED發(fā)出的白光通過(guò)偏振器傳輸到LCD，在那里可以阻擋或衰減光，并將其發(fā)送到RGB濾色器以產(chǎn)生彩色光。
圖1：背光LED驅動(dòng)系統。圖1顯示了背光LED驅動(dòng)器的系統級視圖，該驅動(dòng)器由DC/DC轉換器和一個(gè)或多個(gè)調節電流源組成。此外，基于RGB-LED的背光需要基于溫度的反饋控制，這相當于比基于白光LED的背光更高的成本?？梢允褂枚嗌貾CB面積？需要什么功能？系統消耗多少電量？回答這些問(wèn)題可以指導設計人員選擇合適的背光LED驅動(dòng)器。
用于LED背光的DC/DC轉換器
在具有單節鋰離子源的便攜式應用中，電壓降的總和白色，綠色或藍色LED和電流源可以低于或高于電池電壓。這意味著(zhù)，雖然紅色LED可以直接由單節鋰離子電池供電，但白色，藍色或綠色LED需要電池電壓有時(shí)會(huì )提升。
選擇一個(gè)時(shí)要考慮的第一個(gè)方面用于電池供電應用的LED驅動(dòng)器是IC驅動(dòng)器與外部組件共占的總面積（圖2）。
圖2：典型PCB布局示例：電荷泵（左），電感升壓（右）。
兩種升壓技術(shù)被廣泛使用：升壓DC/DC轉換器，也稱(chēng)為感應升壓，以及開(kāi)關(guān)電容轉換器，也稱(chēng)為電荷泵。電荷泵實(shí)現僅需要四個(gè)陶瓷電容器和一個(gè)低功率電阻器，這通常會(huì )導致更小的解決方案尺寸。推薦用于這些應用的電容值為0.47μF至1μF，額定電壓為10V（有助于直流偏置損耗）。這些電容器可以在許多電容器制造商的0402或0603外殼尺寸中找到?？側芤撼叽缧∮?1mm 2 是相當普遍的，并且還具有非常薄，小于1mm的優(yōu)點(diǎn)。根據LED驅動(dòng)器封裝，電容器可以是解決方案中最高的元件與開(kāi)關(guān)電容驅動(dòng)器相比，基于電感升壓的LED驅動(dòng)器往往具有更大的解決方案尺寸?；陔姼猩龎旱腖ED驅動(dòng)器的典型解決方案尺寸接近板面積的30mm 2 。電感式驅動(dòng)器通常需要兩個(gè)電容，一個(gè)在輸入端，另一個(gè)在輸出端，電容值為1μF至2.2μF，可提供0603和0805外殼尺寸。電感升壓需要一個(gè)可以處理峰值電感電流和輸出電壓的整流元件。在同步升壓中，可以將通過(guò)PFET集成到IC中。但是，這種集成通常會(huì )導致IC封裝的大小超過(guò)異步解決方案。在集成的高壓PFET或肖特基二極管的存在下，功率轉換效率也降低約10％。在異步拓撲中，傳遞元件由肖特基二極管組成。與開(kāi)關(guān)電容器升壓相比，電感升壓的主要區域增加是電感器本身。具有6-8個(gè)LED的電流為15mA至20mA的應用通常需要一個(gè)10μF至22μH的電感器，飽和電流在0.4A至0.5A之間。這些電感器可以在小于3.0mm x 3.0mm的占地面積中找到。電感器也是解決方案中最高的元件，高度范圍為0.8mm至1.2mm。
提高電池電壓的最簡(jiǎn)單方法是使用升壓型DC/DC轉換器（圖3）。該方法的優(yōu)點(diǎn)在于在所有負載和輸入電壓條件下具有非常高的效率，因為輸入電壓可以升高到LED正向電壓和電流源凈空電壓的總和。如前所述，這顯著(zhù)優(yōu)化了成本和PCB面積的效率。
圖3顯示了磁性升壓調節器的工作原理。當NFET開(kāi)關(guān)閉合時(shí)（實(shí)線(xiàn)箭頭），電感器電流iL（t）從t = t0處的最小值Ia向上斜升至t = t1處的最大值Ib。在此期間，肖特基二極管反向偏置，負載由存儲在輸出電容器中的能量支持。
在t = t1時(shí)，NFET開(kāi)關(guān)關(guān)閉，存儲在電感器L中的能量現在傳遞到輸出電容器和通過(guò)肖特基二極管的負載（虛線(xiàn)箭頭）。因此，電感器電流在時(shí)間t2期間下降到先前的Ia值。輸出電壓必須大于輸入：如果此電壓關(guān)系不正確，則電感不會(huì )放電到輸出網(wǎng)絡(luò )。換句話(huà)說(shuō)，當NFET截止時(shí)，電感器兩端的電壓反轉，因為電流放電不會(huì )立即發(fā)生。由反向磁電壓增加的輸入電壓導致輸出電壓高于輸入電壓。當串聯(lián)驅動(dòng)10個(gè)LED時(shí)，所需的電源電壓可高達35V。升壓拓撲結構的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)化了PCB布線(xiàn)：驅動(dòng)器和LED串之間只需要兩個(gè)連接。第二種提高電池電壓的方法是使用電荷泵（其簡(jiǎn)單實(shí)現如下所示）圖4），它利用了電容器的以下特性：電容器電荷累積不會(huì )瞬間發(fā)生，這意味著(zhù)電容器兩端的初始電壓變化等于零。
圖3：LM3509，電感升壓LED驅動(dòng)器。
電壓轉換分兩個(gè)階段完成。在第一階段期間，開(kāi)關(guān)S1，S2和S3閉合，而開(kāi)關(guān)S4-S8斷開(kāi)。因此C1和C2堆疊，假設C1等于C2，充電到輸入電壓的一半：
輸出負載電流由輸出電容提供。當該電容器放電并且輸出電壓低于所需的輸出電壓時(shí)，第二相被激活，以便將輸出電壓升高到該值以上。在第二階段期間，C1和C2并聯(lián)，連接在VIN和VOUT之間。開(kāi)關(guān)S4-S7閉合，而開(kāi)關(guān)S1-S3和S8斷開(kāi)。由于電容上的電壓降不會(huì )瞬間改變，輸出電壓會(huì )跳躍到輸入電壓值的1.5倍：
圖4：充電具有1x和1.5x增益的泵電路以這種方式，完成升壓操作。開(kāi)關(guān)信號的占空比通常為50％，因為該值通常會(huì )產(chǎn)生最佳的電荷轉移效率。
通過(guò)閉合開(kāi)關(guān)S8并使開(kāi)關(guān)S1-S7斷開(kāi)，可實(shí)現增益為1倍的電壓轉換。電荷泵方法的好處是沒(méi)有電感器。電感是EMI噪聲的，會(huì )影響顯示器或手機中的無(wú)線(xiàn)電性能。
電荷泵中的輸入功率和LED效率
在電荷泵LED驅動(dòng)器中，輸出功率關(guān)系如此用于效率計算，假設所有LED都相同，由下式給出：
圖5顯示了典型的效率圖，其中步驟指示了增益轉換。
但是，對于給定的LED電流，正向電壓可隨工藝和溫度而變化。這意味著(zhù)LED的效率可以變化，仍然保持亮度恒定，因為后者僅取決于電流。為了清楚起見(jiàn)，讓我們考慮一個(gè)基于自適應電荷泵的LED驅動(dòng)電路。以下規格：
圖5：電荷泵LED效率。
不會(huì )影響電池的功耗，但會(huì )影響驅動(dòng)電路的功耗。因此，效率不足以評估功耗：必須考慮的是輸入功率與LED亮度，即LED電流。對于給定的LED亮度，輸入功率是衡量從電池中排出多少電子的真實(shí)指標。
在以前的條件下，增益為1.5倍，無(wú)論VLED如何，輸入功率都等于333mW。
由于電荷泵轉換器具有有限數量的電壓增益，因此基于應用規范，總是存在驅動(dòng)器電路中的一定量的浪費功率。因此，為了使輸入功率最小化，以盡可能小的增益操作電荷泵是非常重要的。
恒流LED驅動(dòng)器
LED特性決定了達到所需水平所需的正向電壓電流，決定發(fā)光量。由于LED電壓與電流特性的變化，僅控制LED兩端的電壓會(huì )導致光輸出的變化。因此，大多數LED驅動(dòng)器都使用電流調節。
圖6：調節電流源。
實(shí)現電流調節的電路是低壓差穩壓器，如圖6所示。誤差放大器獲取R2，V2兩端的電壓，將其與參考電壓VREF進(jìn)行比較，并通過(guò)串聯(lián)傳輸元件NFET將LED電流IDX調整為驅動(dòng)誤差信號所需的值（VERR = VREF-V2）盡可能接近零。 VREF等于：
只有當VOUT-VLED足夠高以保持傳輸元件不飽和時(shí)，才成立。事實(shí)上，電流源需要跨越它們的最小電壓，稱(chēng)為凈空電壓VHR，以便通過(guò)LED提供所需的調節電流。凈空電壓通常用電阻建模：
亮度可以通過(guò)改變LED電流（模擬控制）直接控制，也可以通過(guò)快速關(guān)閉LED來(lái)間接控制亮度來(lái)創(chuàng )建對人眼調光的感知（PWM控制）。在大多數便攜式應用中，模擬亮度控制是優(yōu)選的，因為背光控制器通常遠離LED驅動(dòng)器。因此，必須將帶有PWM信號的PCB走線(xiàn)靠近噪聲敏感系統（如無(wú)線(xiàn)電發(fā)射器，揚聲器或顯示器），這可能會(huì )導致問(wèn)題。最后，在需要優(yōu)質(zhì)色域的應用中，紅色，綠色和藍色使用LED。紅色LED由InGaAlP制成，而藍色和綠色均由InGaN制成。當環(huán)境溫度變化時(shí)，與藍色和綠色相比，紅色的主波長(cháng)發(fā)生顯著(zhù)變化，因此需要某種溫度補償反饋環(huán)路。 LP5520（圖7）通過(guò)使用內部校準存儲器調整RGB LED電流以獲得完美的白平衡（色彩精度ΔX和ΔY《0.003），內存校準存儲器存儲LED的強度與溫度數據，以及外部溫度傳感器。
圖7：LP5520，背光RGB LED驅動(dòng)器。
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