背光LED驱动系统的设计与应用分析

采用系统级方法为小型LCD中的LED背光供电是值得的。

发光二极管(LED)技术广泛用于为小尺寸液晶显示器中的像素提供照明( LCDs)在电池供电的应用中。由LED发出的白光通过偏振器传输到LCD，在那里可以阻挡或衰减光，并将其发送到RGB滤色器以产生彩色光。

图1：背光LED驱动系统。图1显示了背光LED驱动器的系统级视图，该驱动器由DC/DC转换器和一个或多个调节电流源组成。此外，基于RGB-LED的背光需要基于温度的反馈控制，这相当于比基于白光LED的背光更高的成本。可以使用多少PCB面积?需要什么功能?系统消耗多少电量?回答这些问题可以指导设计人员选择合适的背光LED驱动器。

用于LED背光的DC/DC转换器

在具有单节锂离子源的便携式应用中，电压降的总和白色，绿色或蓝色LED和电流源可以低于或高于电池电压。这意味着，虽然红色LED可以直接由单节锂离子电池供电，但白色，蓝色或绿色LED需要电池电压有时会提升。

选择一个时要考虑的第一个方面用于电池供电应用的LED驱动器是IC驱动器与外部组件共占的总面积(图2)。

图2：典型PCB布局示例：电荷泵(左)，电感升压(右)。

两种升压技术被广泛使用：升压DC/DC转换器，也称为感应升压，以及开关电容转换器，也称为电荷泵。电荷泵实现仅需要四个陶瓷电容器和一个低功率电阻器，这通常会导致更小的解决方案尺寸。推荐用于这些应用的电容值为0.47μF至1μF，额定电压为10V(有助于直流偏置损耗)。这些电容器可以在许多电容器制造商的0402或0603外壳尺寸中找到。总溶液尺寸小于21mm 2 是相当普遍的，并且还具有非常薄，小于1mm的优点。根据LED驱动器封装，电容器可以是解决方案中最高的元件与开关电容驱动器相比，基于电感升压的LED驱动器往往具有更大的解决方案尺寸。基于电感升压的LED驱动器的典型解决方案尺寸接近板面积的30mm 2 。电感式驱动器通常需要两个电容，一个在输入端，另一个在输出端，电容值为1μF至2.2μF，可提供0603和0805外壳尺寸。电感升压需要一个可以处理峰值电感电流和输出电压的整流元件。在同步升压中，可以将通过PFET集成到IC中。但是，这种集成通常会导致IC封装的大小超过异步解决方案。在集成的高压PFET或肖特基二极管的存在下，功率转换效率也降低约10%。在异步拓扑中，传递元件由肖特基二极管组成。与开关电容器升压相比，电感升压的主要区域增加是电感器本身。具有6-8个LED的电流为15mA至20mA的应用通常需要一个10μF至22μH的电感器，饱和电流在0.4A至0.5A之间。这些电感器可以在小于3.0mm x 3.0mm的占地面积中找到。电感器也是解决方案中最高的元件，高度范围为0.8mm至1.2mm。

提高电池电压的最简单方法是使用升压型DC/DC转换器(图3)。该方法的优点在于在所有负载和输入电压条件下具有非常高的效率，因为输入电压可以升高到LED正向电压和电流源净空电压的总和。如前所述，这显着优化了成本和PCB面积的效率。

图3显示了磁性升压调节器的工作原理。当NFET开关闭合时(实线箭头)，电感器电流iL(t)从t = t0处的最小值Ia向上斜升至t = t1处的最大值Ib。在此期间，肖特基二极管反向偏置，负载由存储在输出电容器中的能量支持。

在t = t1时，NFET开关关闭，存储在电感器L中的能量现在传递到输出电容器和通过肖特基二极管的负载(虚线箭头)。因此，电感器电流在时间t2期间下降到先前的Ia值。输出电压必须大于输入：如果此电压关系不正确，则电感不会放电到输出网络。换句话说，当NFET截止时，电感器两端的电压反转，因为电流放电不会立即发生。由反向磁电压增加的输入电压导致输出电压高于输入电压。当串联驱动10个LED时，所需的电源电压可高达35V。升压拓扑结构的另一个优点是简化了PCB布线：驱动器和LED串之间只需要两个连接。第二种提高电池电压的方法是使用电荷泵(其简单实现如下所示)图4)，它利用了电容器的以下特性：电容器电荷累积不会瞬间发生，这意味着电容器两端的初始电压变化等于零。

图3：LM3509，电感升压LED驱动器。

电压转换分两个阶段完成。在第一阶段期间，开关S1，S2和S3闭合，而开关S4-S8断开。因此C1和C2堆叠，假设C1等于C2，充电到输入电压的一半：

输出负载电流由输出电容提供。当该电容器放电并且输出电压低于所需的输出电压时，第二相被激活，以便将输出电压升高到该值以上。在第二阶段期间，C1和C2并联，连接在VIN和VOUT之间。开关S4-S7闭合，而开关S1-S3和S8断开。由于电容上的电压降不会瞬间改变，输出电压会跳跃到输入电压值的1.5倍：

图4：充电具有1x和1.5x增益的泵电路以这种方式，完成升压操作。开关信号的占空比通常为50%，因为该值通常会产生最佳的电荷转移效率。

通过闭合开关S8并使开关S1-S7断开，可实现增益为1倍的电压转换。电荷泵方法的好处是没有电感器。电感是EMI噪声的，会影响显示器或手机中的无线电性能。

电荷泵中的输入功率和LED效率

在电荷泵LED驱动器中，输出功率关系如此用于效率计算，假设所有LED都相同，由下式给出：

图5显示了典型的效率图，其中步骤指示了增益转换。

但是，对于给定的LED电流，正向电压可随工艺和温度而变化。这意味着LED的效率可以变化，仍然保持亮度恒定，因为后者仅取决于电流。为了清楚起见，让我们考虑一个基于自适应电荷泵的LED驱动电路。以下规格：

图5：电荷泵LED效率。

不会影响电池的功耗，但会影响驱动电路的功耗。因此，效率不足以评估功耗：必须考虑的是输入功率与LED亮度，即LED电流。对于给定的LED亮度，输入功率是衡量从电池中排出多少电子的真实指标。

在以前的条件下，增益为1.5倍，无论VLED如何，输入功率都等于333mW。

由于电荷泵转换器具有有限数量的电压增益，因此基于应用规范，总是存在驱动器电路中的一定量的浪费功率。因此，为了使输入功率最小化，以尽可能小的增益操作电荷泵是非常重要的。

恒流LED驱动器

LED特性决定了达到所需水平所需的正向电压电流，决定发光量。由于LED电压与电流特性的变化，仅控制LED两端的电压会导致光输出的变化。因此，大多数LED驱动器都使用电流调节。

图6：调节电流源。

实现电流调节的电路是低压差稳压器，如图6所示。误差放大器获取R2，V2两端的电压，将其与参考电压VREF进行比较，并通过串联传输元件NFET将LED电流IDX调整为驱动误差信号所需的值(VERR = VREF-V2)尽可能接近零。 VREF等于：

只有当VOUT-VLED足够高以保持传输元件不饱和时，才成立。事实上，电流源需要跨越它们的最小电压，称为净空电压VHR，以便通过LED提供所需的调节电流。净空电压通常用电阻建模：

亮度可以通过改变LED电流(模拟控制)直接控制，也可以通过快速关闭LED来间接控制亮度来创建对人眼调光的感知(PWM控制)。在大多数便携式应用中，模拟亮度控制是优选的，因为背光控制器通常远离LED驱动器。因此，必须将带有PWM信号的PCB走线靠近噪声敏感系统(如无线电发射器，扬声器或显示器)，这可能会导致问题。最后，在需要优质色域的应用中，红色，绿色和蓝色使用LED。红色LED由InGaAlP制成，而蓝色和绿色均由InGaN制成。当环境温度变化时，与蓝色和绿色相比，红色的主波长发生显着变化，因此需要某种温度补偿反馈环路。 LP5520(图7)通过使用内部校准存储器调整RGB LED电流以获得完美的白平衡(色彩精度ΔX和ΔY《0.003)，内存校准存储器存储LED的强度与温度数据，以及外部温度传感器。

图7：LP5520，背光RGB LED驱动器。