便攜設(shè)備LCD背光LED驅(qū)動(dòng)方案

???? 出于對(duì)于照明的基本需求，如何更有效的利用各種能源產(chǎn)生更多的照明，成為探索新的照明技術(shù)的巨大驅(qū)動(dòng)力。從原始的燃料照明到白熾燈，從熒光燈到各種發(fā)光材料的探索，催生出LED照明技術(shù)。在如今社會(huì)，各種媒體設(shè)備照明環(huán)境需求的差異化，進(jìn)一步促進(jìn)了人類(lèi)探索如何利用各種高亮度LED進(jìn)行照明。LED在照明方面的應(yīng)用已經(jīng)吸引廣泛關(guān)注。

LED基本原理及性能特點(diǎn)

????? 首先我們來(lái)介紹一下LED的基本原理以及性能特點(diǎn)。LED的基本結(jié)構(gòu)是一塊電致發(fā)光的半導(dǎo)體材料，置于一個(gè)有引線(xiàn)的架子上，然后四周用環(huán)氧樹(shù)脂密封，起到保護(hù)內(nèi)部芯線(xiàn)的作用，所以L(fǎng)ED的抗震性能好。發(fā)光二極管的核心部分是由p型半導(dǎo)體和n型半導(dǎo)體組成的晶片，在p型半導(dǎo)體和n型半導(dǎo)體之間有一個(gè)過(guò)渡層，稱(chēng)為PN結(jié)。在某些半導(dǎo)體材料的PN結(jié)中，注入的少數(shù)載流子與多數(shù)載流子復(fù)合時(shí)會(huì)把多余的能量以光的形式釋放出來(lái)，從而把電能直接轉(zhuǎn)換為光能。PN結(jié)加反向電壓，少數(shù)載流子難以注入，故不發(fā)光。當(dāng)它處于正向工作狀態(tài)時(shí)(即兩端加上正向電壓)，電流從LED陽(yáng)極流向陰極時(shí)，半導(dǎo)體晶體就發(fā)出從紫外到紅外不同顏色的光線(xiàn)，光的強(qiáng)弱與電流有關(guān)。

LED光源具有以下特點(diǎn)：
1.電壓：LED正向?qū)üぷ麟妷狠^低，可以使用低壓電源驅(qū)動(dòng)，供電電壓根據(jù)最終產(chǎn)品不同而異，是一個(gè)比較安全的照明設(shè)備，特別適用于公共場(chǎng)所。
2.效能：同等照度的情況下消耗能量較同光效的白熾燈減少80%。
3.適用性：每個(gè)單元LED小片是3-5mm的正方形，所以可以制備成各種形狀的器件，并且適合于易變的環(huán)境。
4.穩(wěn)定性：通常為10萬(wàn)小時(shí)，光衰為初始的50%。
5.響應(yīng)時(shí)間：其白熾燈的響應(yīng)時(shí)間為毫秒級(jí)，LED燈的響應(yīng)時(shí)間為納秒級(jí)。
6.對(duì)環(huán)境污染：無(wú)有害金屬汞。
7.顏色：LED的發(fā)光顏色和發(fā)光效率與制作LED的材料和工藝有關(guān)，目前有紅、綠、藍(lán)三種基本顏色。
8.價(jià)格：與白熾燈相比，LED的價(jià)格較高，幾只LED的價(jià)格就可以與一只白熾燈的價(jià)格相當(dāng)，不過(guò)隨著技術(shù)工藝的進(jìn)步，可以逐步提升性?xún)r(jià)比。

LED驅(qū)動(dòng)方案

????? LED自問(wèn)世以來(lái)，就得到人們的極大關(guān)注，LED驅(qū)動(dòng)器件和驅(qū)動(dòng)方式不斷更新以便更加有效地驅(qū)動(dòng)LED為人類(lèi)照明。從早期的DC/DC開(kāi)關(guān)電源到電荷泵，以及追求成本的低邊驅(qū)動(dòng)和LDO,人們?cè)诓煌膽?yīng)用情況下選用不同的驅(qū)動(dòng)線(xiàn)路，作為市場(chǎng)關(guān)注的熱點(diǎn)，便攜產(chǎn)品的顯示背光是LED背光應(yīng)用的主要市場(chǎng)，下文將針對(duì)便攜產(chǎn)品的背光顯示，介紹當(dāng)前幾種常見(jiàn)的LED驅(qū)動(dòng)方案。

1. Step-UP DC/DC開(kāi)關(guān)電源實(shí)現(xiàn)LED驅(qū)動(dòng)

????? 該方案主要的特點(diǎn)在于：輸入電壓較低，甚至低至0.7V(單節(jié)干電池)，從技術(shù)發(fā)展的角度看，串聯(lián)型驅(qū)動(dòng)出現(xiàn)的比較早，技術(shù)上也比較成熟，效率較高。典型的應(yīng)用線(xiàn)路如圖1所示。

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圖1：Step-UP DC/DC 開(kāi)關(guān)電源實(shí)現(xiàn)LED驅(qū)動(dòng)的典型應(yīng)用線(xiàn)路。

????? 對(duì)于這種應(yīng)用方式，早期的驅(qū)動(dòng)芯片主要采用電流反饋方式，按照VFB/Rb來(lái)確定LED的電流，DC/DC反饋電壓VFB一般在1.2V左右，這限制了有效效率的進(jìn)一步提升，本身DC/DC的效率在80%左右，在這種應(yīng)用情況下，實(shí)際效率降低的更多，而隨著技術(shù)的提高，降低VFB電壓到0.1V以?xún)?nèi)，可以將有效效率提升到85%以上，尤其在驅(qū)動(dòng)2-3顆燈的應(yīng)用狀態(tài)下。該方案的優(yōu)缺點(diǎn)如下：

????? 優(yōu)點(diǎn)：技術(shù)成熟，成本相對(duì)較低，通過(guò)一些新的技術(shù)革新，例如圖1所示的過(guò)壓保護(hù)功能，或者采用電壓電流反饋共同作用，可以得到較高的亮度一致性以及較高的安全系數(shù)，尤其以大尺寸屏幕顯示的背光應(yīng)用居多。由于需要較多的LED實(shí)現(xiàn)屏幕背光，因而亮度的一致性和均勻性是必須面對(duì)的挑戰(zhàn)。

????? 缺點(diǎn)：本身電感的應(yīng)用，限制了線(xiàn)路的尺寸以及高度，并且?guī)?lái)工程設(shè)計(jì)人員不愿意面對(duì)的問(wèn)題-EMI處理，尤其在靠近射頻部分，需要針對(duì)干擾做專(zhuān)門(mén)的處理，否則會(huì)導(dǎo)致射頻接收靈敏度降低，甚至帶來(lái)音頻部分的干擾，例如音頻輸出電流干擾聲。另外，在這種應(yīng)用情況下，如果一個(gè)LED發(fā)生故障就會(huì)導(dǎo)致整串LED失效，這是人們不愿意看到的結(jié)果。

2. 電容式電荷泵驅(qū)動(dòng)模式

????? 這是一種比較新的驅(qū)動(dòng)方式。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)電容式電荷泵通過(guò)開(kāi)關(guān)陣列和振蕩器、邏輯電路、比較控制器實(shí)現(xiàn)電壓提升，采用電容器來(lái)貯存能量。因工作于較高頻率，可使用小型陶瓷電容器(1μF)，占用空間最小，使用成本較低。電荷泵有兩種工作模式，恒壓模式，恒流模式。

????? 1)恒壓模式電荷泵。圣邦微電子的SGM3110就是采用恒壓模式的電荷泵，由于恒壓模式電荷泵的工作特性，本身具有高開(kāi)關(guān)頻率以及大峰值的瞬態(tài)電流，因而需要工程師在PCB布板部分額外注意，一般要求外圍的電容盡可能靠近器件本身，外圍布線(xiàn)要盡量短，本身需要周?chē)腜CB地盡可能大，外圍電容也要盡量直接接到SGM3110的地上，如果布線(xiàn)限制，則可以通過(guò)大的PCB過(guò)孔以及多個(gè)過(guò)孔來(lái)實(shí)現(xiàn)良好接地。