平板电脑背光照明技术研究

　　引言

　　平板电脑市场预计将从今年的5千万多台，增长到2016年的2亿多台。尽管如此，现在仍然没有标准的平板电脑架构。例如，一些平板电脑通过单节锂离子电池来供电，而另一些则使用两节锂离子电池。无论使用多少节电池，所有平板电脑制造厂商都想最大化电池使用时间。显示器的背光是平板电脑中最为耗电的系统之一。显示器的尺寸从7英寸到10英寸，不一而足。最近发布的平板电脑中，背光LED的数目范围为20到36支。本文将指导读者如何选择最佳的WLED驱动器和LED串配置，以在不牺牲效率和电池使用时间的情况下满足平板电脑应用要求。

　　平板电脑背光要求

　　与笔记本电脑或者上网本一样，平板电脑背光驱动器应用同样基于DC/DC转换器和接地电阻通路，以用于LED。这种应用一般具有如下一些要求：

　　1、RF范围内低EMI

　　2、亮度高度期间无可视闪烁

　　3、陶瓷输出电容压电嗡嗡声引起的可听噪声最小

　　4、显示器亮度一致

　　5、高调光比

　　6、最高效率，实施最大电池使用时间

　　满足第一个要求即RF范围内低EMI相对较为容易。数年来，电源设计人员一直在为实施这个目标而努力，他们尝试了许多方法，例如：将开关频率和并发谐波设置在RF范围以外，使用屏蔽电感，在合适的情况下给PCB设计最小的长度但却使用较宽的导线，诸如此类。一些驱动器IC已经将MOSFET栅极驱动电路同分层上升时间集成，以减少RF范围内的噪声。

　　亮度调节类型极大地影响后面四个要求。使用脉宽调制（PWM）亮度调节时，LED电流在调节过程中以其最大电流水平脉冲开和关，来产生平均DC LED电流。这时，只要PWM亮度调节频率远高于60 Hz，背光闪烁就不那么明显。如果使用模拟亮度调节，则闪烁就不是一个问题，因为亮度调节时LED DC电流水平降至其最大值以下。

　　第三个要求，即陶瓷电容的可听噪声最小，与驱动器的拓扑结构有关。图1显示了一个简单的驱动器，其电流检测电阻器作为LED电流的接地通路。转换器对电流检测电阻器的电压进行调节，从而控制LED电流。

　　

　　图1：简易LED驱动器

　　图2显示了集成电流阱的驱动器。该驱动器对每个电流阱的电压进行采样，确保转换器能够提供刚好足够的功率，以维持电流阱正常工作。

　　与闪烁一样，使用模拟亮度调节时不存在问题，因为输出电容电压只有很小的变化，以适应LED电流的微小变化。但是，如果使用PWM亮度调节，则驱动器防止输出电容放电的方式就变得很重要。最简单的驱动器在驱动器反馈（FB）引脚到接地之间也有一个电阻器，驱动器的转换器有效关闭时，输出电容在低亮度调节占空比时开始急剧放电。更为复杂的一些驱动器集成了电流阱（如图2所示），其可以取代电流检测电阻器。它们只需开启吸收器以及为LED供电的DC/DC转换器，从而移除了输出电容的放电和再充电通路。

　　

　　图2：集成电流阱的LED驱动器

　　第四个要求，即一致的显示器亮度，可通过精确匹配所有串的LED电流完美实现。集成电流阱驱动器的关键特性是串之间的极精确匹配。就无集成电流阱的一些驱动器而言，镇流电阻器与LED串联放置可改善串之间的匹配。

　　第五个要求，即高亮度调节比（例如：0.1%，或者1000：1），不管是使用模拟调节还是PWM调节，利用一个简单驱动器来实现都较为困难。在低占空因数下使用模拟亮度调节时，模拟控制电压变得如此之低，以至于IC的漏电流和补偿电压会极大地降低精确度。使用简单驱动器的PWM亮度调节是最为常见的实现方法，其通过完全开关转换器来实现。这种亮度调节产生转换器软启动时间，迫使PWM亮度调节频率变得非常低，接近闪烁范围。占空因数让输出电容在再充电期间放电和嗡鸣。因此，利用集成电流阱，可以完美地实现高亮度调节比，因为它可以非常快速地开关。

　　第六个和最后一个要求，即高效率，不仅仅与驱动器有关，也与LED配置结构有关。驱动器DC/DC转换器的功率MOSFET、电感以及整流二极管，共同决定转换器的效率。简单驱动器的接地通路为电流检测电阻器。转换器的FB电压越低，总驱动器效率就越高。同样地，对于一个集成电流阱的驱动器来说，这些吸收器的最小工作电压越低，驱动器的效率也就越高。简单驱动器几乎总是比带电流阱的驱动器的效率要高，假设条件是它们两者具有完全相同的内部组件，因为电流阱一般比电流检测电阻器要求更高的偏压。但是，为了满足平板电脑的其它性能要求，集成电流阱的驱动器一般是最佳的选择。

　　最佳LED配置

　　通过选择串的最佳数目以及每串LED的最佳数目，来最小化功耗和最大化电池使用时间，是一项具有挑战性的工作。使用更少的串，要求每串有更多的LED，并且会导致升压转换器更高的输出电压。升压转换器输入和输出电压之间的差异越大，其效率也就越低。另外，更多的串会导致更高的总输出电流，以及更高的电感和升压整流二极管损耗。图3显示了不同串联（S）和并联（P）组合时三种不同LED配置的模拟升压功率级效率。使用更多的串，可让每串的LED更少，并提供更低的输出电压，但它要求更多的电流阱，不得不消耗更多的功率，从而降低驱动器的总效率。

　　

　　图3：升压功率级效率（点击查看原图）

　　图4显示的是总驱动器效率，其包括图3所示相同LED配置的功率级和电流阱效率。由该曲线图，我们可以清楚地看到20支LED采用5支LED串联为一串、4串并联在一起（5S4P）的配置，24支LED采用6S4P配置，而36支LED采用6S6P配置时，出现最佳模拟效率。根据这些结果，最大化平板电脑背光驱动器效率的经验法则是，选择相等或者尽可能相互接近的S和P数目，但是在只有两个可选的情况下P的数目应小一些。

　　

　　图4：总驱动器效率（点击查看原图）

　　示例背光配置

　　根据前面的分析，具有集成电流阱的背光驱动器，例如：德州仪器TPS61181A笔记本电脑背光驱动器，可以针对平板电脑背光进行优化（参见图5）。对于那些使用两节锂离子电池的平板电脑而言，驱动器和升压功率级都可以直接通过电池供电。而对于那些只使用单节锂离子电池的平板电脑来说，驱动器偏压轨可以由面板的AVDD轨或者系统的另一个电源（4.5V 或者更高）来供电。由于TPS61181A能够提供比大多数平板电脑要求的功率稍微更高一些的功率（也就是说，功率FET稍微过大，因此RDS（on）非常低），所以相比专为该输出功率而设计的转换器，这种转换器的功耗更低，从而进一步最大化了效率。图6显示了6S6P配置TPS61161A的测得效率结果。

 

　　

　　图5：为平板电脑背光供电的TPS61181A（点击查看原图）

 

　　

　　图6：单体锂离子电池供电时的TPS61181A效率（点击查看原图）

　　结论

　　为平板电脑选择最佳的背光驱动器，需要考虑所有的应用要求。在满足除效率以外的所有要求方面，集成电流阱的驱动器是最佳选择。但是，谨慎选择具有稍超大转换器的驱动器、最低降功率的外部组件以及最佳的LED串配置结构，可以带来一种最大化电池使用时间的同时也满足所有设计要求的平板电脑背光。