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小型LCD背光的LED驅動電路設計考慮因素

上網時間: 2008年02月22日     打印版  Bookmark and Share  字型大小:  

關鍵字:LCD  背光  驅動器 

過去幾年來,小型彩色LCD顯示螢幕已經被整合在範圍越來越寬廣的產品之中。彩色顯示螢幕曾被視為手機的豪華配置,但如今,即便在入門級手機中,彩色螢幕已成為一項標準配備。幸好,手機產業的經濟規模性(全球手機年出貨量接近10億部)降低了LCD彩色顯示螢幕的成本,並使它們整合在無論是可攜醫療設備、通用娛樂遙控器、數位相框/影像查看器、教育玩具,或是最新具有WiFi功能的VoIP無線電話等其他產品中都具有吸引力。

彩色LCD顯示螢幕需要白色背光,以便用戶在任何光照環境下都能正常地觀看。這個背光子系統包括1個高亮度白光發光二極體(LED)陣列、1個擴散器(diffuser)以擴散光線和1個背光驅動器將可用電能穩壓為?定電流以驅動LED。一個1到1.5英吋的顯示螢幕可能包含2到4個LED,而一個3.5英吋顯示螢幕則可能輕易地就包含6到10個LED。對於LED而言,其光輸出與電流成正比,而且由於LED具有非常陡峭的電流-電壓(I-V)曲線,流過LED的電流緊密匹配是非常重要,這樣才能確保均衡背光,因為LED通常分佈在LCD顯示螢幕的一邊。此外,也需要軟體控制讓用戶調節亮度,以及針對周圍光照環境作出補償。根據流經LED電流的不同,LED的色點(color point)可能會漂移。因此,將LED電流設定為固定值並對LED進行脈寬調變以降低平均光輸出就很普遍。要在手持產品設計中整合小型彩色LCD顯示螢幕並進而實現成本、性能和電池壽命的恰當平衡,存在著一系列需要考慮的因素。

電池供電產品需要最佳化的LED驅動電路架構,這些架構要處理並存的多項挑戰,如空間受限、需要高能效,以及電池電壓變化─既可能比LED的正向電壓高,也可能低。常用的拓樸結構有兩種,分別是LED採用並聯配置的電荷泵架構/?流源架構和LED採用串聯配置的電感升壓型架構。這兩種方案都有需要考慮的折衷因素,如升壓架構能夠確保所有LED所流經的電流大小相同但需要採用電感進行能量轉換,而電荷泵架構使用小型電容器進行能量轉換,但所有LED並聯排列得太過緊密以致電流匹配成為均衡背光所面對的一項棘手問題。圖1展示了這兩種架構的示例。

設計時應做好以下幾點

1. 評估螢幕使用時間

選擇白光LED驅動器時,需要考慮到顯示螢幕的使用頻率。如果顯示螢幕會被長時間背光觀看,擁有高效率的轉換器對電池使用時間就顯得至關重要。較大的顯示螢幕需要較多的LED,而顯示螢幕使用時間較長的應用則會從能效更高的升壓型拓樸中受益。相反地,如果顯示螢幕僅用於短時間背光,那麼效率就可能不是一項關鍵的設計參數。

2. 仔細考慮LED選擇

LED技術持續快速改進,製造商在使用新的材料、製造技術和LED設計來為同等大小的電流釋出更大的光輸出,這樣一來,幾年前需要4個LED進行背光的顯示螢幕如今可能採用2個LED就能實現同樣的背光亮度。不僅如此,過去通常使用冷陰極螢光燈(CCFL)進行背光的4到7英吋較大顯示螢幕,如今正轉向使用LED進行背光。此外,LED的正向電壓正趨向更低。因此,不僅需要考慮驅動器製造商的數據表曲線上的驅動器效率,還需要基於採用所選LED對驅動器進行的評估來予以考慮。表1列舉了幾款LED的一些重要規格,顯示了這些LED在正向電壓和發光亮度等方面的差別。需要說明的是,正向電壓範圍的變化較大,這意味著驅動器的效率應該採用LED規格的極限值來進行評估。

3. 注意佈線

即使各個LED採用10到20mA的極低電流來驅動,流經轉換器的峰值電流也明顯高得多。這對於電感拓樸結構而言猶為如此,因為峰值開關電流可能是LED平均電流的10到20倍。因此,需要使用適當的低損耗佈線技術。對電荷泵型拓樸結構而言,電容器應該佈置在鄰近驅動器的位置,使迴路面積減至最小以避免輻射開關噪音。對於電感升壓型轉換器而言,輸入和輸出電容器以及電感應設在鄰近驅動器的位置。此外,電流設定電阻(Rfb)應該直接連接至晶片的接地,因為內部參考和檢測電壓之間的錯誤會直接影響LED電流精確度。

4. 在真實環境下測試產品

考慮顯示螢幕在外界高亮度光照條件下的表現,並確保軟體調光控制擁有足夠的動態範圍,因而在預期的光照環境下能夠充分地對顯示螢幕進行調光。

圖1:電荷泵和電感LED驅動器電路圖。
圖1:電荷泵和電感LED驅動器電路圖。
圖1:電荷泵和電感LED驅動器電路圖。

應注意避免以下問題:

1. 忘記考慮邊界和故障模式

錯誤總會產生,如果LED對地開路或短路,驅動器應該如何處理這個問題?對於電感升壓驅動器而言,如果LED串開路,輸出就會激增,因為?定電流會對輸出電容器進行充電,因而需要過壓保護,但這種功能可能會、也可能不會整合在驅動器中。這在工廠測試中可能會成為一個問題,因為顯示螢幕在某些測試步驟中可能還未被安裝。此外,評估產品開啟時的突波條件也很重要,因為此間大量的電流消耗可能將電池電壓降低到最低工作閾值之下。採用軟啟動和/或對不同電路模組進行軟體排序就能夠將這個問題最小化。

2. 只盯著峰值效率

由於用戶可調節背光亮度,因此需要考慮顯示螢幕背光預計會在大多數工作時間內的驅動器效率。評估驅動器的效率時,需要考慮LED預計的工作條件、電池電壓範圍和正向電壓變化。電感型驅動器擁有更佳的峰值效率,對輸入和輸出電壓變化也有更大的容限。

3. 忽視外部元件選擇

在所有設計案例中,都應該考慮採用低的等效串聯電阻(ESR)X5R或X7R陶瓷電容器使損耗降到最低。同樣在電感型案例中,(若有外部的)蕭特基整流器的正向電壓降和電感的ESR會影響效率。舉例來說,使用具有0.3Ω ESR的電感來以20mA電流驅動5個串聯的LED時,效率會比帶1.3Ω ESR的電感高5%。當然,這並不是沒有代價的,因為電感的ESR越低,提供相同電感值所對應的尺寸越大。所幸的是,如今也有許多新型的小尺寸電感器,它們容許LED驅動器置於顯示器的下面。

表:幾種不同的LED的特性參數。
表:幾種不同的LED的特性參數。

作者:

Bernie Weir

應用總監

安森美半導體公司





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