白色发光二极管与红绿蓝发光二极管新型驱动器的应用

1、前言

越来越多移动电话、便携式媒体播放机、电子游戏机以及导航系统等便携式电子消费产品采用红绿蓝(RGB)彩色或白色发光二极管二类，用作指示灯，例如，利用红绿蓝光发光二极管发光的指示灯会根据不同事件如短信服务(SMS)或来电，发出不同颜色的灯光。驱动这些发光二极管的方法有很多，如可以利用发光二极管驱动器、电源管理单元或先进灯光管理单元的通用输入／输出引脚。

历来，该二类发光二极管主要用于便携式电子产品，如手机方面，除了可为小键盘提供背光之外，也可用作手机的装饰灯，使手机更美观。此外，该发光二极管也可为显示器提供背光。其移动电话采用相当多红绿蓝光发光二极管，而且数目不断增加，为此对发光二极管的驱动器技术提出了更高的要求。也就是说，若要为便携式电子产品的彩色发光二极管或白色发光二极管提供足够的驱动电流，就要解决功耗、控制接口／可设定能力、电磁干扰、方案体积以及系统成本等问题。

为此，本文将对便携式电子产品的白色发光二极管与RGB发光二极管驱动器的两个主要功能加以研讨，即为指示灯及装饰灯提供光源和为显示器提供背光的两个功能。

2、对驱动器技术提出了更高的要求

新一代的发光二极管驱动器应有更先进的技术来提高效率。

那先进的技术要求是什么？那就是LED显示驱动器应简化软件、加速开发、节省功率，直接与微处理器接口，并具有集成的多工引擎、数字亮度控制、闪烁控制和字模，又可替您省掉一个独立的面板微控制器。

以往，工程师都利用简单的电流接收器或通用输入／输出引脚驱动指示灯的发光二极管。这种驱动方法的效果并不十分理想，因为每次启动发光二极管时，都要由应用处理器加以控制。以接收短信为例，每次收到短信，指示灯都要发出闪烁灯光， 因此指示灯每次发光时，都必须唤醒应用处理器。这些灯光效果会耗用更多供电，令电池寿命无法延长。而当今，移动电话及大部分便携式电子产品都要有足够的电源才可支持各种新的功能。一般来说，便携式产品的显示器背光系统及发光二极管耗用较多供电，因此系统的总耗电量能否大幅降低，关键在于发光二极管的耗电量。为了满足这个节能要求，当然，大部分新一代的发光二极管驱动器都引进更先进的技术来提高效率。

于是对于耗电量少、设计简单的指示灯发光二极管驱动器来说，将控制灯光闪烁的程序载入驱动器，由程序而非应用处理器控制闪烁过程是个较为理想的方法，其好处是处理器没有工作时可以进入睡眠模式，让发光二极管驱动器执行闪烁功能。若一个低正向电压彩色发光二极管只由一个简单的开／关控制，便无需加设升压直流／直流转换器，有助于进一步降低系统功耗。这样便可将这类发光二极管驱动器的体积缩至极小，而且只需添加极少或甚至完全不需添加外置元件。

3、白色发光二极管与彩色发光二极管新型驱动器及其功能

3.1为节省更多耗电应用可编程程序设定的灯光变幻模式

便携式电子产品若加设灯光变幻模式控制功能，便可节省更多耗电。LP5522便是其中一款设有这个功能的发光二极管驱动器。控制灯光闪烁功能的程序可以通过单线接口载入LP5522驱动器之内，只要设定正确的控制指令，驱动器便可无需通过外部控制也可按照设定的闪烁模式反复启动发光二极管。发光二极管的电流可以通过外置电阻加以调节，但发光二极管本身的预没电流则为5 mA。LP5522芯片的大小只有1.2mlmx0.8mmx 0.6mm发光二极管是其唯一的外置元件，因此这是一个体积小巧、物料成本较低的解决方案，最适用于小巧纤薄系统成本紧促的便携式电子产品。

若发光二极管的正向电压较高，单颗式锂电池的电压必足以驱动多个发光二极管。以这一情况来说，驱动器便必须加设升压直流／直流转换器。升压转换器有两种，一种是采用电荷泵或开关电容器的电容式转换器；另一种是电感式的磁性升压转换器。电荷泵转换器大多用于低电压的并行发光二极管驱动器，而磁性升压转换器则大多适用于高电压的串行发光二极管驱动器。

灯光的变换模式较为复杂，例如不同颜色的灯光逐渐变为其他的颜色，便要另外采用更先进的控制方法，以补允许控制引脚的不足。许多便携式电子产品都采用

控制总线，好处是只需通过两条导线，便可控制发光二极管驱动器，使控制功能在执行上有较大的灵活性。此外，一般的应用还会加设其他的元件，例如相机模块，而且这些元件都共用同一总线，因此，发光二极管驱动器不可占用

接口的所有带宽。发光二极管的亮度固然可以实时控制，但其中涉及复杂的工序，因此会占用较多

接口的带宽。

应用举例：驱动电流最大的

接口电荷泵，用于WLED为主屏、闪光灯和副屏／RGB灯提供最高610mA电流。

当今，输出功率最大的照明管理IC(LMIC)，采用

接口，能够驱动蜂窝电话的LED。该器件可用来驱动主屏、副屏背光和照相机闪光灯WLED，具有出色的电流匹配精度。RGB LED控制提供32k种颜色，可实现平滑的颜色变化。电荷泵采用专有的自适应l倍／1.5倍／2倍模式和低压差电流调节器，可最多驱动7个主屏和副J~LED，并获得0.3％的电流匹配精度和高达92％的效率(整个电池寿命期间平均83％)。同时可为照相机闪光灯提供高达400mA电流，闪光灯可使用LED模块或单个高亮度LED。

其应用见图1所示。最大的

接口电荷泵以MAXl707为例应用见图所示。

图1

从图可知：确保610mA输出驱动电流，通过

提供完全的可编程性，整个Li+电池工作寿命期间，可实现92％峰值(83％平均值)效率(PLED／PBATT)，±0.3％电流精度，软启动限制浪涌电流，输出过压保护，热降额功能保护LED，4mm X 4mm、24引脚下QFN。

3.2处理器进入睡眠模式的应用减少发光二极管驱动器的功耗

如LP552l这类采用电荷泵的新一代彩色发光二极管驱动器便利用内置的存储器控制整个灯光的变幻过程，因此无需经常使用实时控制功能。LP552l为可编程、低功率、3通道，其功能应用示意图见图2所示。

图2

控制灯光的程序在通电后会写入内置的存储器，而驱动器可通过外置的触发引脚或

写入指令启动灯光控制程序。程序一旦启动之后，便无需处理器进行控制。电话一旦采用待机模式，其处理器便可进入睡眠模式，但驱动器仍可执行灯光控制程序，营造各种复杂的灯光效果，灯光程序可以控制灯光的时间延迟、渐强、闪烁、环回灯、以及收／发触发信号。

如何减少发光二极管驱动器的功耗？

LP5521驱动器还设有自动节能操作模式，以便进一步减少功耗。LP5521芯片内置DC／DC转换器，每当锂电池的供电电压无法为发光二极管提供足够的驱动电流，这个内置的转换器便会立即启动。此外，每当发光二极管处于闲置状念而内部控制程又正在运行，LP5521驱动器也会关闭其他闲置的区块，这样可大幅减少平均功耗。图3为LP5521发光二极管驱动器利用自动节能模式操作时的操作情况示意图。

图3

像LP552l这类采用电荷泵的红绿蓝光发光二极管驱动器只需另外加设4个小型的电容器。由于这款发光二极管驱动器非常小巧，而且只需极少外置元件，因此整个方案的大小只有7平方毫米加上封装极为纤薄，因此最适用于薄型的系统设计。此外，这款小巧的驱动器可使系统采用局部性的布局，而不必采用中央统筹式的布局。换言之，发光二极管驱动器可以装设于靠近发光二极管的位置，好处是印制电路板的布线较为容易，而电磁于扰也叫可减少LP552l发光二极管驱动器没有外接的控制引脚，可确保几颗驱动器同步操作，以便营造各种趣致的灯光效果。

典型应用举例。驱动RGB或白光LED的理想方案

驱动RGB或白光LED的理想方案对便携式应用特别适用。直接由电池驱动RGB或白光LED，节省系统成本微型3mmx 3mmTQFN封装和低待机电流(典型值<1UA)。

MAX6966／MAX6967是驱动RGB或白光LED的理想方案。各端口可提供精度高达1．5％的恒流驱动，使得各LED的亮度高度匹配，并省去了外部限流电阻。这样，现在LED就可直接由电池或电源管理IC驱动。当主处理器处于休眠模式时，通过一条自动发出的硬件(或软件)命令便可使所有LED渐强或渐暗。利用DouT引脚和CS线，多片MAX6966可级联使用。此外，利用MAX6967的OSC输入可以同步系统噪声，可以用一个最高100kH2的PWM时钟来取代内部的32kHz振荡器。可选的PWM输出相移能够降低对于电源的峰值电流要求。可通过恒定电流和单独咖位PWM控制亮度，低压降输出允许LED直接由电池驱动。方案见图4示意。

图4

其方案主要优点：可编程渐强和渐暗控制，每个端口都具有I／O能力，I／O支持热插入，-40℃至+125℃温度范围，端口间电流匹配度1.5％，低待机电流(最大值<2A)，每个端口最允许20mA恒定电流，输出可承受7V。

3.3应用GPIO和

端口扩展器便可驱动便携式产品的RGB、白光和背光LED

工业标准GPIO/LED驱动器，无需外部器件，便可驱动RGB、白光和背光LED。采用额定工作温度高达+125℃、并具有PWM控制功能的引脚兼容升级产品，可简化设计。

由于GPIO和

端口扩展器具有工业标准出脚和更强的性能：如更低的工作电压，集成的8位PWM控制，+125℃工作的能力，小至3mmx 3mmx 0.8mm的节省空间的TQFN封装，以及宽广的

从机ID选择等等。端口扩展器工作于400kH2快模式的

总线，以及100kHz的标准模式。另外，每个端口可吸收至少10mA，有些产品还具有高达75mA的吸收能力。I／O扩展器或者具有

总线超时电路，或者具有

RST输入，以便从

锁定状态中恢复工作。如今端口数从8到28。值此以MAX7316的I／O扩展器为例作它应用，见图5示意。

图5

3.4应用RGB光发光二极管为小屏幕显示器提供背光

为什么应用RGB光发光二极管为小屏幕显示器提供背光？

一般来说，几只白光发光二极管便足以为小屏幕液晶显示器提供背光。但白光发光二极管的缺点是它的光谱范同较为狭窄，以致拍摄出来的影片效果并不理想，原因是白光发光极管基本上属于蓝光发光二极管，但在顶层加设了一个黄色的磷光体，其光谱有两个高峰，一个处蓝光的光谱范围内。可以采用彩色滤波器滤除部分有色光线，以便为有色晶格(红、绿、蓝)提供相应的光线。彩色滤波器本身会耗费部分能源，而且即使彩色光线经过滤波之后，穿过液晶显示器的彩色光光谱效果也不十分理想。若采用白光发光二极管提供背光，便可为液晶显示器提供符合NFSC色域规定的颜色，符合规定的颜色数日更高丛75%(传统液晶显示器在接近红色波段的颜色尤其不甚鲜明亮丽)。若采用红绿蓝光发光二极管为液晶显示器提供背光，便可将光线颜色调节，以致能百分百提供NTSC规定的所有颜色，这样可确保色彩更亮丽，画面更清晰细致。若采用特别设计的彩色滤波器，功耗会少于白光发光二极管的背光系统。

典型应用-红绿蓝光发光二极可以利用高放效率的方法产生“真正白色”的背光。

若采用红绿蓝光发光二极管提供背光，一旦发光二极管的温度有变，发光二极管驱动器便必须校正三原色(红、绿、蓝)之间的亮度于衡。无论在任何温度之下，发光二极管驱动器都要将红绿蓝背光的白点准确校正。补偿方式有闭环或开环两种可供选样。若采用闭环的补偿方式，可利用光学传感器测量白点。若采用开环的补偿方式，可以先量度温度，然后根据测定的补偿曲线校正白点。LP5520红绿蓝光发光二极管驱动器可以利用开环式补偿方法提供红绿蓝背光。图6为LP5520红绿蓝光发光二极管驱动器引脚功能应用示意图。
 

图6

利用LP5520芯片控制显示器亮度还是控制白光发光二极管背光系统的亮度：所采用的控制方都大致相同。实际亮度可通过SPI或

总线控制，而LP5520芯片则负责根据补偿曲线计算真正的脉冲宽度调制(PWM)数值，以确保白点准确。自动淡入／淡出功能则负责调校光暗，确保渐变过程自然流畅。

4、实用的发光二极管驱动器方案

仅需一只电感且无需电荷泵二极管就能为4小型TFT显示器提供完整的LCD偏压和白光LED背光电源，仅需一只电感且无需电荷泵二极管。

MAXl578／MAXl579具有四路稳压输出，提供小型有源矩阵薄膜晶体管(TTFT)LCD所需的全部电压，极适合于掌上设备，尽可能少的外部元件和高效率对于此类应用非常重要。两款器件均集成了三个先进的电荷泵，提供固定的+5V、+15V和—10V，用于LCD偏置电路，另加一个34V的升压DC-DC，用于驱动最多8只串联的白光LED。电荷泵只需外接陶瓷电容，不需要二极管。上电和断电期间，所有输出经过了排序。关断期间，输出被切断而且主动放电至零。MAXl579具有温度补偿，以避免在较高温度下过度驱动LED。芯片结构特征与应用见图7所示，是一个完整的TFT-LCD电源(偏置和白光)。

图7

芯片内四个调节器在一个封装内，紧凑的4mmx4mm薄型QFN封装，零输入浪涌电流软启动，15mVP-P输入纹波，白光LED输出具有过压保护。

LM3509双输出恒流发光二极管驱动器可以发挥高达90％的效率 。LM3509产品特征为：32个按指数分隔的光暗变化状态，发光二极管电流比率为800：1；自动光暗控制功能确保能以下同速度从某一亮度逐渐转为另一亮度；内置有机发光二极(OLED)电源供应；两个独立控制的恒流辅出，分别驱动主及副显示器；可为10个发光二极管分别提供30mA的事动电流，并确保下同电流大小一致，相差不超过0. 15％；可同时为5个发光二极管分别提供20 mA的驱动电流，也可为OLED提供21V的供电电压及40 mA的供电电流； 兼容的可设定亮度控制。这是驱动发光二极管的理想解决方案，最适用于移动电话、数字相机以及导航系统显示。

5、结束语

关于RGB与白光LED的成本比较。选择RGB或白光LED作背光照明 源可能都满足特定的最终产品需求。但是由于RGB LED较宽的色谱极大地提高了画质，因此使用RGBLED而不是白光LED是有道理的，因为消费者在决定购买哪种型号的LCD TV时，可能会因为色彩鲜明而愿意多付钱。不过，使用RGB LED时，解决方案尺寸更大、更复杂且更加昴贵。然而，如果在采用较宽色谱却不允许最终产品提高价格的应用中，用白光LED解决方案作背光照明源是一种可按受的选择。

红绿篮发光二极管可为手机及具他便携式电子消费产品提供千百种不同的灯光效果，令每—产品都有其独特个性。但手机若不断增添红绿篮光发光二极管，而且灯光效果旦越趋复杂，发光二极管驱动器便未必能完全满足新功能的要求。最大的问题是哪一个发光二极管驱动方案最有效率、最具成本效益、而且体积最小才可以满足新一代便携式电子产品的灯光需要，成为是最理想的灯光管理解决方案。