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手機與PDA應用LED照明驅動電路設計

上網時間: 2007年03月13日     打印版  Bookmark and Share  字型大小:  

關鍵字:LED  LCD  背光  Onsemi  安森美 

本文將討論廣泛應用於手機與PDA等可攜式設備中的LED及其相關驅動電路,除了將焦點放在最新的LED應用外,也將檢視白光LED的發展,最後將針對LCD背光、裝飾用照明與指示以及照相手機上閃光燈等驅動電路的結構與最新功能提供圖解說明。

由於具備高照明效率、長效性與小體積,LED已經成為以電池做為主要電源的可攜式設備,例如手機與PDA等的首要選擇,約0.1W的低耗電白光LED目前正廣泛應用在LCD顯示面板的背光與鍵盤照明上,當然也可以透過連接多顆LED帶來較高的亮度以做為臨時照明或閃光燈等應用。而可達1W的高功率LED則應用在配備200萬畫素,甚至更高解析度的照相手機中,以支援黑暗環境中的攝影動作。

除了白光LED外,RGB(紅、綠、藍)光LED也經常被用來強化手機的質感,透過將這三種色彩精確適當地混和,RGB LED可以創造出豐富多樣的色彩表現。在指示應用上,當有來電或是訊息到達時可以讓彩色LED閃爍,或利用色彩來顯示發話者的身分,如朋友、家人、或業務往來的來電等自行定義的群組,這項功能不僅為手機帶來個人化功能,同時也在使用者身處非常吵雜的環境中時相當有用。

為進一步強化使用者的影音感受,RGB LED也同時用來產生許多吸引人的發光效果,其中一個例子是將RGB的發光動作與響鈴的旋律或MP3音樂加以同步,另一個RGB發光的有趣應用則是Panasonic公司的Feel * Talk功能,由於RGB LED被安排在手機的機殼下方,因此可以依使用者的心情顯示不同的色彩。

主要白光LED供應商

目前廣泛應用在可攜式設備LCD與鍵盤背光的白光LED,是由日商日亞(Nichia)化學公司於1996年推出,透過以淡黃色螢光物質塗佈在氮化鎵(GaN)與銦氮化鎵(InGaN)材質的藍光LED上來達成白光的效果。另外,藍光與綠光LED的發展則擴展了LED色彩輸出的豐富度。

然而,在上世紀90年代末期,日本、美國與歐洲等地主要LED製造商間的多重專利侵權問題阻礙了新製造商進入這個市場的可能性。但幸運地是,這些法律訴訟逐漸透過相互授權協商獲得解決,部分製造商如Nichia、Toyoda Gosei、Cree、Philips Lumileds與OSRAM等更在當時確立了其領先地位。除此之外,數年前台灣與南韓兩地的新進廠商開始崛起,並在過去2年逐漸嘗到了營業額高度增長的成果。

LED效能大幅提升

在大量資金投入LED開發後,白光LED的照明效率比起剛發明時有了大幅的改善,目前市場上最佳的白光LED照明效率可以達到100 lm/W,相當接近日光燈管,而領先市場的開發公司也嘗試在藍光LED上使用不同的塗佈物質,並提出具備更佳發光效率的原型設計,因此預估提供面板背光所需的LED數目將持續下滑,目前手機上標準LCD面板所需的背光用LED大約在2到4顆,而PDA或智慧型手機上LCD面板的背光則需要6到10顆。

能夠持續以1W推動的高功率LED最早由Philips Lumileds在1990年代後期推出,此後其他供應商如Nichia、Cree與OSRAM也陸續發表高亮度LED,由於低功率LED價格的下滑,因此所有主要LED生產商都將焦點放在可以應用在大型LCD面板背光以及日常照明上高效率LED的開發,這些開發動作最終將可望拉低目前僅使用在高階照相手機中高功率LED的單價。

在進一步討論LED背光與閃光燈的驅動電路結構與新功能前,讓我們先回顧一下手機與PDA中廣泛使用的LED以及電池的電氣特性。

依不同製造商所採用技術的差異,LED的前向電壓(Vf)大約在2.7V到4V之間,通常高功率LED擁有高達4.9V的較高前向電壓,因此LED驅動電路必須提供足夠的正電壓以便讓LED以正向偏壓的方式發光。當採用多顆LED來提供背光時,在驅動電路的設計上就必須考慮前向電壓間的差距,為了能夠得到相同的照明強度,也就是讓不同的LED發出相同的色彩,設計工程師必須確保流經每顆LED的前向電流相同,低功率LED通常採用20mA前向電流,最大約為25mA,目前市場上的高功率LED則能以高達1.5A的脈衝電流來驅動。

目前手機與PDA中最常見的電池型式為鋰離子或鋰高分子可充電電池,採用鋰材料的可充電電池標準電壓在3.6V到3.7V,工作電壓則為4.2V到3.2V,為了確保能夠安全運作,這類型的鋰材料電池只能夠在1C的範圍內充電或放電,其中C為電池的規格容量,例如1,000安培小時(mAh)的電池最高放電電流為1A,手機通常使用的電池容量大約在650mAh到1000mAh之間。採用不同陰極材料的新型態鋰離子電池已經進行開發以便改善電池的效能,在使用這類電池組時,設計工程師應該要遵守電氣規格上的限制並隨之調整驅動電路。

現在就讓我們進一步研究LED在LCD背光、裝飾光源與相機閃光燈中的應用。

LCD背光

在使用最高前向電壓為3.4V到4V的LED時,由電池提供的輸入電壓必須相等或高於所需的驅動電壓,因此需要一個具有穩定電流功能的升壓式轉換器來推動以串聯或並聯方式連接的LED。

充電泵/切換式電容轉換器 充電泵轉換器目前廣泛使用在LCD的背光驅動上,與採用電感式的升壓式轉換解決方案比較,充電泵驅動電路由於具備較低的成本、較薄的厚度以及較低的雜訊特性而成為較佳的選擇,新推出的積體電路設計已經逐漸改善充電泵驅動電路的效率,目前最高效率可超過93%,平均則大約在80%。

充電泵驅動電路通常採1x與2x模式運作,在部分設備中則加入了1.33x與1.5x模式來改善效率,在這類解決方案中,LED採並聯方式連接,同時每個LED的電流由各自獨立的匹配電流源提供,最佳的驅動晶片在相同電路中任兩個LED電流間的匹配誤差大約在0.2%。

在可攜式設備中,當鍵盤或觸控式螢幕動作時所耗用的LED電流最高,而在幾秒鐘沒有動作後,LED電流將降低以便將電源消耗降到最低,控制LED電流的一個常見方式是採用PWM脈衝來推動驅動晶片的動作接腳,透過晶片的啟動與關閉動作,輸出電流將成為PWM訊號有效週期率的平均值,在新的LED驅動晶片設計上,由於單線式S-Wire或雙線式I2C介面只需佔用一或兩根輸出入接腳,同時設計也相對較簡單,因此通常會被採用為數位控制介面。

漸進式亮度變化與情境式照明 漸進式亮度變化主要應用在可攜式設備啟動或關機時以創造劇場式的照明效果,在啟動時,背光電流會依照預先設定的時間間隔以步階方式逐步放大到20mA,同樣地,在關機時則採用相反的動作逐步降低,透過微處理器的幫助,可利用將具備不同頻率的PWM訊號送到LED驅動電路的啟動接腳來實現這種效果,以特定時間間隔將LED電流用多重步階的方式加大或降低,不過這個方法卻有耗費即時處理器資源的缺點,因此在如NCP5602與NCP5612等LED驅動晶片產品上就將這個功能內建在晶片中(圖1)。


圖1:典型的2顆LED式充電泵驅動器應用。a. 採用I2C控制介面的LED驅動電路。 b. 採用單線式S-Wire控制介面的LED驅動電路。

這些驅動晶片需要兩個飛馳電容、輸出與輸入電容以及一個用來控制最高輸出電流的電阻(R1),漸進式亮度變化控制指令則由處理器透過I2C連接埠或輸出入接腳送到驅動晶片,指令本身應該包含起始與最終電流大小以及亮度變化的時間間隔。

當應用在RGB LED上時,這樣的功能就能用來產生情境式的照明效果,藉由每個RGB LED各自擁有的32個明暗步階,像NCP5623這類的LED驅動晶片就可達到32,768種色彩變化,透過這種明暗步階以及內建的對數演算法,可創造出對眼睛來說相當平順且線性化的色彩變化,RGB LED驅動電路包含用來調整3顆LED輸出電流的獨立控制PWM電流源,以產生所需的色彩輸出(見圖2)。


圖2:具備I2C控制介面的典型RGB LED驅動晶片應用。

由於每個電流輸出的時序與電流大小都可以獨立控制調整,因此能使用白光或帶有色彩的LED來表現不同發光模式得到裝飾或指示用途的輸出,部分具備音訊輸入的電路還能讓彩色LED搭配內部MP3或和絃鈴聲的不同頻帶同步動作。

ICON模式 您是否曾經嘗試在黑暗的環境中觀看手機的時間,這時明亮背光與黑暗環境間的強烈對比對眼睛來說相當不舒服,這也是為何會有‘ICON模式’設計,可在待機模式下以微小的電流點亮外部LCD面板來顯示時間或特別定義的影像,不過如果這必須透過PWM明暗控制來達成,那麼處理器就心須在整個待機模式下產生一個連續的低頻PWM訊號,在NCP5602中,這個功能採用硬體方式實現,並能透過如表1中的數位指令啟動。


表1:NCP5602的I2C內部暫存器位元安排。

由處理器送到驅動晶片資料位元組中的B5代表了ICON模式的狀態,當B5為LOW時,表示使用的是正常背光模式,每個LED的電流可以在0mA到最大30mA間調整,當B5為HIGH時,就會啟動ICON模式,且只會將450μA的電流送到所連接兩顆LED之一,在這個元件中ICON模式的電流值為固定值,但在類似元件NCP5612上,這個電流則可透過單線式通訊協議來控制,圖3顯示了通過I2C通訊協議中SCL與SDA連接線的ICON控制程序。


圖3:ICON模式控制時的簡單SCL與SDA連接線上的資料順序。

線性穩壓器/電流源方案 在使用具備約3.3V較低前向電壓的叢集式LED時,可選擇線性穩壓器來提供驅動電流。與切換式轉換器比較,線性穩壓器具備較低成本及較低的電磁干擾,因為線性穩壓器只需在驅動晶片的週邊加入幾顆電阻,同時無需使用切換式元件,但這類解決方案的缺點是較窄的有效電池電壓運作範圍,圖4顯示了使用NUD4301低壓降線性穩壓器做為兩顆LED驅動電路的情況,依標準0.2V壓降以及3.3V的LED前向電壓考慮,穩壓器將在電池電壓低於3.5V時離開穩壓模式並進入飽和模式,這將造成穩壓器輸出電流大幅下滑同時LED亮度開始變暗,不過如果最低電池電壓是在可接受的範圍,那麼線性穩壓器還是小型LCD面板最具成本效益的背光解決方案。


圖4:採用線性穩壓器NUD4301做為推動小型LCD面板背光的兩顆LED驅動電路。

行動照明應用

臨時照明 手機所提供的LED照明功能普遍被認為是相當精妙的設計,這可以由許多手電筒現在都由數顆低功率LED組成,並透過20mA到60mA較低電流推動的趨勢看出,這類照明可做為可攜式手電筒,但它微弱的照明強度對支援黑暗環境下的攝影不足夠,事實上必須要有一個或更多的高功率LED才能支援1公尺或更遠的拍攝照明,阻礙工程師加入高功率LED的主要原因還是成本,目前量產的高功率LED主要仰賴全球5大製造商供應,不過在台灣與韓國製造商的功率LED產能逐漸開出後,預料單價將開始下滑,同時驅動電路的成本也會隨量產而下降。

高功率閃光燈用LED 在照明與閃光模式下通常使用不同的電流大小與驅動時間,如在照明模式下可以使用200mA的連續電流,而在閃光模式下則採用400mA到1A的脈衝電流,閃光脈衝的時間長短依相機模組特性而定,通常閃光脈衝的寬度介於20ms到200ms之間,閃光驅動電路能支援閃光LED大約1A的驅動電流,提供LED高達4.9W的輸出,為了讓LED的接面溫度維持在最高可容忍的範圍內,我們必須採用良好的溫度管理策略,將脈衝寬度縮小有助於降低不必要的消耗,而較大的接地面積也是將熱由LED導出的一種推薦做法。

單顆高功率閃光燈驅動電路 升壓式轉換器是支援高功率LED中最高達4.9V前向電壓的必備條件,但就算是相同的LED晶片,前向電壓在不同條件下也會有所不同,當LED溫度上升時,前向電壓可能會滑落到低於輸入電池電壓,因此就需要降壓式轉換器,技術上來說,升降壓轉換器是推動單顆高功率LED的最佳方案,不過這類驅動晶片通常成本較高,同時也需搭配會提高成本與體積的外部電感。升降壓轉換器的優點則在於較高的整體效率,主要原因是完全使用了電池的能量,同時能夠提供超過1A甚至更高的超高輸出電流,新推出的高電流充電泵驅動電路是升降壓轉換器的一種低成本替代方案,不過充電泵轉換器的輸出電流最高大約在700mA,主要還是受到較低效率以及能夠由電池所提取的最大電流限制。

整合型照明管理晶片 具備背光與閃光功能,部分甚至還具備RGB與其他影音功能的整合型照明管理晶片(LMIC)目前已出現在市場上,它包含了可能採用充電泵或電感式設計的升壓轉換器,每個輸出則由可調式電流源提供,這種方案在掀蓋式或滑蓋式手機中特別有用,原因是它免除了由電源管理單元拉到電話另一面所需的長路徑。NCP5608是一個可以提供整體高達500mA電流,配備8個輸出的整合型充電泵驅動晶片,它的輸出電流可以由處理器透過I2C連接埠來加以調整,同時也能夠組成不同的LED組態來滿足各種平台的需求,請參考圖5。


圖5:整合型LED驅動晶片提供了各種不同的LED組合變化,從4顆以25mA推動的背光功能與4顆提供閃光燈用的100mA LED,一直到結合所有輸出來推動一個高功率LED的閃光燈應用。

LMIC數位控制 單線式數位控制已廣泛應用在獨立型背光LED驅動晶片上,不過這種控制協議對LMIC來說速度太慢且太複雜,原因在整合驅動電路中存在各種不同的控制組合需求,因此通常在LMIC上會使用具備時脈與資料連線的I2C或特殊的控制通訊協議。

目前市場上已經出現300萬甚至更高畫素的手機以支援高品質照相功能,為了讓LED提供媲美氙氣式閃光燈的照明強度,可透過推動兩顆或更多的高功率LED做為閃光燈,具備4.5W高功率驅動能力的電感式升壓轉換器能以500mA的驅動電流推動兩顆串聯的LED(圖6),值得注意的是,在這類驅動電路中必須加入時間限制保護電路以避免LED受到長時間運作的破壞,同時驅動晶片中也應該加入開關來切換照明與閃光應用時的電流大小。


圖6:具備內部開關與時間限制保護的4.5W功率閃光燈驅動電路。

本文小結

LED的大量供貨已經讓手機與PDA上LCD面板背光用低功率LED的單價越來越低,新推出的背光驅動晶片也內建了如漸進式明暗控制以及不需任何軟體設計,同時也不耗費任何微處理器資源的情境式照明控制功能。這些LED驅動電路可協助可攜式產品製造商縮短開發時間,而在較低成本的解決方案上,則可使用線性穩壓器來推動前向電壓較低的LED。

另外,市場上也出現幾種閃光燈驅動方案,分別為獨立型升降壓轉換器、高電流充電泵驅動電路及照明管理晶片,大部分的功率閃光燈可能包含幾個標準的LED或一顆高功率LED,目前照相手機中高功率LED尚未普及的主要原因是單價較高。但部分高階手機已使用兩顆LED提供較高亮度的閃光燈。在照相手機中,更高功率的閃光燈方案將越來越普及,提供給使用者真正的相機輸出效果。

作者:

林欣欣

低電壓電源管理產品市場經理

數位消費產品部

安森美半導體

Crystal.Lam@onsemi.com




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