摘要:白光led被普遍用作便携设备lcd的背光源,原因是他们复杂程度较低、花费较少且尺寸小于ccfl背光源。pda、手机和数码相机等便携设备已逐步过渡到彩色lcd显示屏,因此,越来越多的产品需要背光源。本文讨论用于串联或并联白光led供电的电荷泵和电感升压转换方案,采用电压调节或电流调节控制器。本文还讨论了对尺寸、效率、电池寿命及led匹配的折衷考虑。
随着手机、pda及数码相机越来越多地使用彩色lcd显示器,白光led成为一种通用的照明源。单色显示器可以使用电致发光背光灯或彩色led作为背光源,而彩色显示器则需要白光灯源,以正确显示色彩。
主要有两种方法提供白光灯源:白光led和ccfl (冷阴极荧光灯)。ccfl在笔记本电脑中已经应用了很多年。但是,考虑到光源尺寸、复杂性及成本优势,白光led成为小型手持设备的首选光源。
白光led只需较低的直流电压(3v与4v之间),也就是说,可以采用简单的基于电感或电容的电路供电。相反,ccfl则需要很高的交流电压(200vrms至500vrms)供电,成本高、体积大,需采用基于变压器的电路(图1)。
图1. ccfl电路需要变压器为荧光灯管提供高压。
红光和绿光led的正向压降为1.8v至2.4v (典型值),一些常用电池即可提供足够高的电压,直接驱动这些led。然而,白光led的正向压降为3v至4v (典型值),通常需要一个独立电源供电。
驱动led光强与流过led的电流有关,电流越大光强越高。满亮度输出时电流大约为20ma。数码相机和蜂窝电话一般需要2至3个led,pda一般需要3至6个led背光。
可以通过并联或串联方式驱动led,如图2所示。并联方式的缺点是led电流及亮度不能自动匹配。串联方式保持固有的匹配特性,但需要更高的供电电压。
图2. 方式a (led并联),所需电压较低;方式b (led串联),可提供最佳匹配。
无论是并联方式还是串联方式,大多数手持设备的电池电压都不足以驱动led,所以需要升压转换器。电荷泵转换器利用小电容实现电压转换,尺寸最小、成本最低。但是,电荷泵转换器只能产生输入电压的倍数(如:1.5倍、2倍)。因此,串联led通常需要基于电感的转换器。利用基于电感的转换器,可轻松实现更高的升压比,而且,能够在较宽的输入至输出电压范围内保持高效。
驱动并联led 图3所示是驱动并联led的三种主要方法:
利用现有电源独立调节流过每个led的电流。
只调节电源电压,依靠led的一致性和串联电阻使电流匹配。
调节流过一个led的电流,依靠led的一致性和串联电阻使其余的led电流匹配。
图3. 图中给出了三种驱动并联led的方法:a) 独立调节每个led的电流;b) 调节输出电压,依靠led的一致性和串联电阻使电流匹配;c) 调节流过一个led的电流,依靠led的一致性和串联电阻使其余的led电流匹配。
方法a. 独立调节流过每个led的电流集成led电流调节器
若有一个足够高的电源驱动led正向导通,那么,只需设计电流控制电路,并可提供足够的电流驱动满亮度下的所有led。
图4所示电路利用max1916以恒定电流驱动三个白光led,是led亮度匹配的低成本解决方案。绝对电流设置在所要求的led最大亮度电流与最大额定电流之间;为了保持显示器亮度一致,电流匹配必须足够好。典型的电流匹配度为0.3%,绝对电流精度为±10%。每路输出的压差小于410mv,以保持20ma电流。这样,只需4.2v即可驱动3.8v的led。led引脚电流设为流入set引脚电流的230倍。为给set引脚提供偏置电流,需要把rset连接到大于1.215v set引脚偏置电压的电压。
图4. max1916采用sot23封装,提供0.3%的电流匹配度。
图5. max1916驱动白光led时的三种电流调节方法。
有多种动态调节led亮度的方法,如图5所示。
一种方法是:用dac驱动rset (图5a)。led电流是dac输出电压减去set引脚偏置电压的函数。dac可以选用sot23封装的低成本max5360-max5365系列。
利用控制器的i/o引脚控制多个电阻,可组成一个简易的亮度调节器,如图5b所示。将控制引脚在高电(on)和三态(off)之间切换,以得到所要求的set引脚电流。
最后一种方法是:利用逻辑电平pwm信号驱动enable引脚(图5c)。许多处理器的端口都能提供占空比从0至100%的低频pwm信号。max1916 enable引脚的响应时间允许pwm运行在高达2khz左右的频率。
集成电荷泵升压电源与电流调节器
如果系统已有的电源不合适,则需选择专用的led电源。低成本的max1574/max1575/max1576电荷泵控制器结合了升压电源和电流调节功能。这些器件具有较高的输出电流、很好的电流匹配度以及较高的工作效率,并可提供自适应模式切换、过压保护,可驱动8个led。
自适应切换电路对输入电压进行检测,并确定效率最高的升压比(例如,1倍、1.5倍或2倍)。利用一串脉冲码,通过dual mode™使能引脚,可以调节亮度(相当于设置电流的百分比)。
图6所示max1574电荷泵能够以高达180ma的总电流驱动三个led。1mhz的开关频率允许电荷泵使用小尺寸陶瓷电容。
图7所示max1576电荷泵能够以高达480ma的总电流驱动两组、每组四个led。对于闪烁状态的led组,允许每个led电流达到100ma的电流。每组led具有独立的电流设置、脉冲亮度调节和2线亮度控制。利用自适应开关,在单节锂电池的整个放电过程中(图8)平均效率可以达到83%。对于使用led闪光灯的数码照相机,max1576是理想选择。
max1575是该系列产品的另一款芯片,能够以120ma总输出电流驱动两组led (四个主屏led和两个子屏led)。
图6. 提供一组led电流源的ma1574电荷泵
图7. 提供两组led电流源的ma1576电荷泵
图8. max1576在典型锂电池电压下的效率
方法b. 使用稳压输出电源与方法a相似,如果系统中有现成的电压源时可以采用方法b。方法b非常经济,但电流精度不如方法a。由于方法b不能实现稳流,所以流过每个led的绝对电流必须保持在所要求的最大亮度电流与led最大额定电流之间。电流匹配度必须足够好,以便保持亮度均匀。
参考图3中的方法b,通过任意led上的电流可由电源的输出电压(vout)减去正向led电压(vd),然后除以r决定:
i = (vout - vd)/r (式1)
图9a所示为典型手持设备中两个白光led的i-v曲线图。相同电流下,二极管的电压并不相等。图9b所示为白光led之间的电压差与电流的函数关系。
图9a. 典型手持设备中两个白光led的i-v曲线图
图9b. 两个白光led间的电压差与电流的对应关系
led电流的匹配
为了理解正向电压的匹配度对电流匹配度的影响,可利用式1计算led电流的比值。例如,i1与i2的比值为:
i1/i2 = r2/r1 ((vout - vd1)/(vout - vd2)) (式2)
假设r1 = r2,式2可简化为:
i1/i2 = (vout - vd1)/(vout - vd2) (式3)
当vout非常大时,式3结果趋于1。因此较高的vout有助于得到较好的电流匹配度。r必须与vout - vd成比例增大,以便保持恒定电流。较高的vout带来的损失是r消耗的功率越大。需要折衷选择效率和电流匹配度。
例如,以5v电源驱动3.60v的led,r上的电压为1.40v。若换成3.42v的led,则r上的电压增加到接近1.58v,led电流增加13%;需要注意的是:此时led电压仅有5%的变化。这个例子表明了需要合理选择效率和匹配度。
绝对精度
图3中方法b的led电流绝对误差可用式1计算。对于所选择的led,利用vd与id的关系曲线(图9a)进行计算。
将所期望的工作电流i、电流i对应的vd标称电压(由图可知)及所选择的vout代入式1,可以解得r值。得到r值后,利用led数据资料中最差条件下的vd求解式1。须考虑温度变化对vd的影响。这样能够得出led电流的范围,电流范围必须小于led的最大额定值。
亮度调节
图3方法b中,可通过改变vout调节led电流。在使用同一电源时,并不推荐这种方法。可供选择的是,用mosfet与开关电阻并联组成简单的亮度调节器(图10)。但是,当需要多级亮度调节时,这种方法的成本将急剧增高。这时,应考虑图6所示集成方案或串联驱动方式(下面讨论)。
图10. 用mosfet控制与r1a至r3a并联的电阻r1b至r3b,进行亮度调节
方法c. 使用稳流输出转换器图3中的方法c给出了稳流(而不是稳压)输出转换器。在此设计中,流过其中一个led的电流通过电阻r1检测,并由转换器稳定调节该电流。转换器类型可以是基于电感的转换器,也可以是电荷泵或线性稳压器。
led电流方程与式1相同,方便起见,将其列于下方:
i = (vout - vd)/r (式4)
但条件与前面不同,这里稳定的是i1,而不是vout,公式为:
i1 = vfeedback/r1 (式5)
由于只调节了一个电流,其余led的正向压差会导致电流误差,与上述讨论相同。此外,该方案按照图11所示改进后的方法增大r1。
图11. 图3方法c所示电路的电流匹配通过增大r1a得到改进。对于所选择的电流,r1b必须保持恒定。将r2和r3设置为r1a + r1b。
因为电流必须保持恒定,将r1分为r1a和r1b。r1b控制电流,r1a控制额外的输出电压,已达到所要求的电流匹配度。将r1 = r1a + r1b代入式4;r1 = r1b代入式5。为使电流匹配,r2和r3设置为r1a + r1b。
图12所示电路利用max1910/max1912电荷泵实现电流调节。图中增加了亮度调节输入,且所有led共用一个检测电阻,以便调节总电流。为提高效率,这些控制器提供1.5倍和2倍升压选择。可提供高达120ma的输出电流,具体取决于输入电压。详细信息请参考数据资料。
图12. 带亮度调节控制的max1910/max1912
驱动串联led驱动串联白光led时,由于流过每个led的电流相同,可以获得均匀的亮度。该设计的缺点是—正向压降相加,需要更高的驱动电压。这种配置需要基于电感的转换器,以便在高压时获得高效率。在选择这种类型的转换器时,必须考虑lx引脚的额定输出电压。
有几款型号根据其lx引脚的额定电压,可以驱动不同数量的串联led,如表1所示。lx引脚的最大额定电压与led串儿的最大电压之间需要保留一定的安全裕量,以允许过压关断。
表1. 选择适当器件驱动所要求的串联led
part
lx pin rating (v)
# series leds
package
max1848
14
3
8-sot23
max1561/max1599
30
6
8-tdfn
max8595z/max8596z
37
8
8-tdfn
max8595x/max8596x
40
9
8-tdfn
例如,max8596z是专为驱动多达八个串联(图13)白光led设计的开关调节器。该器件具有2.6v至5.5v的输入电压范围,允许单节锂电池或三节nicd/nimh电池为ic供电。max8596z采用节省空间的8引脚tdfn封装。工作在高速1mhz pwm方式,因此,允许选用小巧的外部元件。32v至36v的过压锁存门限当出现led开路时能够有效保护ic。另外,器件还具有高温降额功能。超过42°c时输出电流降低,以便减小led的功耗。
图13. max8596z开关调节器驱动多达8个串联白光led
用任意直流电压或未经滤波的pwm信号驱动ctrl引脚, 可以调节led电流。0.24v至1.72v的ctrl引脚电压驱动led从最暗到满亮度。超过1.72v时,输出电流被箝位在最大值。可以采用200hz至200khz的pwm信号,误差信号放大器及补偿电容用作pwm信号滤波,不需要输入滤波器。
max8596z驱动不同数量led时的效率如图14所示。最大效率超过85%。
图14. 图13所示电路中max8596z的效率
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