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分析移動電話與PDA應用中LED照明驅動電路的設計

時間:2015-08-24 來源:admin瀏覽次數:0

     本文主要討論了廣泛應用在移動電話與PDA等便攜式設備中的以及相關驅動電路,除將焦點投注在最新的LED應用外,我們也檢視白光LED的發展,并將針對LCD背光、裝飾用和指示及拍照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。

        LED如何改善移動電話與PDA中的燈光效果和性能

        由于具備高照明效率、長效性與小體積,LED已成為便攜式設備,如移動電話與PDA等的必然選擇,約0.1W的低功耗白光LED目前正廣泛應用在LCD顯示面板的背光與鍵盤照明上,當然也可通過連接多顆LED帶來較高的亮度作為臨時照明或閃光燈等應用,而可達1W的高功率LED則應用在配備兩百萬像素,甚至更高分辨率的拍照手機中來支持黑暗環境中的拍照功能。除白光LED外,RGB(紅、綠、藍)光LED也經常被用來強化移動電話的質感,通過三種色彩精確適當地混和,RGB LED可創造出豐富多樣的色彩。

        在指示應用上,當有來電或信息時可以讓彩色LED閃爍,或利用色彩來顯示發話者的身份,例如自行定義的群組,如朋友、家人或業務往來的來電,這項功能不僅為移動電話帶來個性化,同時在非常吵雜的環境中也相當有用。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,另外一個RGB發光的有趣應用則是日本松下公司的“Feel Talk”功能,由于RGB LED被安排在移動電話的機殼下方,因此可以依使用者的心情顯示不同的色彩。

         LED效能的改善和電氣特性

         在大量資金投注LED開發后,白光LED的照明效率比起剛發明時有了大幅度的改善,目前市場上最佳的白光效率可以達到100lm/W,相當接近日光燈管,而一些領先公司也嘗試在藍光LED上使用不同的涂敷物質,并推出更佳發光效率的設計方案,因此提供面板背光所需的LED數目將持續下滑,目前移動電話上標準LCD面板所需的背光LED大約為2~4顆,而PDA或智能型手機上LCD面板的背光則需要6~10顆。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,先回顧一下移動電話與PDA中廣泛使用的LED以及電池的電氣特性。

        依不同制造商所采用技術的差異,LED的正向電壓(Vf)大約在2.7~4V之間,通常高功率LED擁有高達4.9V的較高正向電壓,因此電路就必須提供足夠的正電壓以便讓LED以正向偏壓的方式發光。當采用多顆LED來提供背光時,在驅動電路設計上應考慮正向電壓間的差距,為了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的正向電流能夠相同,低功率LED通常采用20mA的正向電流,最大約為25mA,目前市場上的高功率LED則能以高達1.5A的脈沖電流來驅動。

         電池的電氣特性

         目前移動電話與PDA中最常見的電池為鋰離子或者鋰高分子可充電電池,采用鋰材料的可充電電池額定電壓范圍是3.6V~3.7V,工作電壓則為4.2V~3.2V,為確保能夠安全工作,這類型的鋰電池只能夠在1C的范圍內充電或放電,這里C由電池的額定容量所決定,例如1,000mAh的電池最高放電電流為1A,移動電話通常使用的電池容量大約在650~1,000mAh之間。為改善電池的效能,采用不同陰極材料的新型鋰離子電池已開始開發。在使用這類電池組時,設計工程師應該遵守電氣規格限制并據此調整驅動電路。

        在使用最高正向電壓為3.4V~4V的LED時,由電池提供的輸入電壓必須等于或高于所需的驅動電壓,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并聯方式連接的LED。

        電荷泵轉換器目前廣泛使用在LCD的背光驅動上,與采用電感式的升壓式轉換解決方案比較,電荷泵驅動電路由于具備較低的成本、較薄的厚度以及較低的噪聲特性而成為較佳的選擇,新推出的集成電路設計已經逐漸改善電荷泵驅動電路的效率,目前最高效率可超過93%,而平均效率則約為80%。電荷泵驅動電路通常采1x與2x模式運作,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采用并聯方式連接,同時每個LED的電流由各自獨立的匹配電流源提供,最佳的驅動芯片在相同電路中任兩個LED電流間的匹配誤差約為0.2%。

        在便攜式設備中,當按鍵盤或觸摸屏時所用的LED電流最高,而在幾秒鐘沒有動作后,為降低功耗LED電流將降低,控制LED電流的一個常見方式是采用PWM脈沖來驅動芯片的使能端,通過啟動與關閉芯片,其輸出電流為PWM信號占空比的平均值。對于新LED驅動芯片,由于采用單根(S-Wire)或兩根線的I2C接口,故只需用一或兩個I/O口,因而設計非常簡單。

        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便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,背光電流會以預先設定的時間間隔以步進方式逐步放大到20mA,同樣在關機時采用相反的動作逐步降低,通過微處理器的幫助,可將具備不同頻率的PWM信號送到LED驅動電路的使能端來實現這樣的效果,以特定時間間隔將LED電流用多重步進的方式加大或降低,但這個方法的缺點是耗費實時處理器資源,在NCP5602與NCP5612這類的LED驅動芯片產品上就具有此功能,參考圖1。 
 

圖1(a):采用I2C控制接口的LED驅動電路

圖1(a):采用I2C控制接口的LED驅動電路

圖2(b):采用單線式S-Wire控制接口的LED驅動電路。

圖2(b):采用單線式S-Wire控制接口的LED驅動電路

        這些驅動芯片需要兩個箝位電容,分別位于輸出與輸入端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通過I2C或I/O口送到驅動芯片,指令本身應該包含起始與最終電流值以及亮度變化的時間間隔。

       如果應用在RGB LED上時,這樣的功能就能夠用來產生情境式的照明效果,每個RGB LED都有32級亮度,像NCP5623這類的LED驅動芯片就可達到驚人的32,768種色彩變化,由于如此精細的亮度級差及內嵌有對數算法,色彩的變化呈線性化且相當柔順,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,以便產生所需的色彩輸出。

圖2:具備I2C控制接口的典型RGB LED驅動芯片應用。

圖2:具備I2C控制接口的典型RGB LED驅動芯片應用。

         由于每個電流輸出的時序與電流大小都可以獨立控制調整,因此我們就能夠使用白光或帶有色彩的LED,并利用不同的發光模式來實現豐富多彩的裝飾或指示,部分具備音頻輸入的電路還能夠讓彩色LED與內部嵌入的MP3或和弦鈴聲的不同頻帶相同步。

        ICON模式

        您是否曾在黑暗中從移動電話上看時間,這時明亮背光與黑暗環境的強烈對比對眼睛來說相當不舒服,如果您在觀賞電影過程中覺得無聊來看時間,還可能會干擾隔壁的觀眾,這也就是為什么采用“ICON”模式,即在待機模式下以微小的電流在外部LCD面板上顯示時間或用戶定義的圖片。不過如果這必須通過PWM亮度控制來實現,那么處理器就得在整個待機模式下產生一個連續的低頻PWM信號,在NCP5602中,這個功能采用硬件方式實現,并且通過表1中的數字命令來加以啟動。

表1:NCP5602的I2C內部寄存器位安排。

表1:NCP5602的I2C內部寄存器位安排。

         由處理器送到驅動芯片的數據字節中的B5代表的是ICON模式的狀態,當B5為LOW時,表示使用的是正常的背光模式,每個LED的電流可以在0mA~30mA之間調整,當B5為HIGH時,那么就會啟動ICON模式,并且只會將450μA的電流送到所連接的兩顆LED中的一個上,在這個器件中ICON模式的電流值為固定值,但在類似NCP5612的產品上,這個電流則可以通過單線式通訊協議來加以控制,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連接線上的數據順序。

圖3:ICON模式控制時的簡單SCL與SDA連接線上的數據順序。

        線性穩壓器/電流源解決方案

        在使用具備約3.3V較低正向電壓的叢集式LED時,可選擇線性穩壓器提供驅動電流,線性穩壓器與開關轉換器比較,優勢在于較低成本及較低電磁干擾,因線性穩壓器只需在驅動芯片的外圍加入幾顆電阻,且無需使用開關器件,但這類解決方案的缺點是降低了電池電壓工作范圍,圖4顯示使用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壓降及3.3V的LED正向電壓考慮,穩壓器將在電池電壓低于3.5V時離開穩壓模式進入飽和模式,這將造成穩壓器輸出電流大幅下滑且LED亮度變暗。但若最低電池電壓在可接受范圍,則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:采用線性穩壓器NUD4301做為推動小型LCD面板背光的兩顆LED驅動電路。

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

        移動電話上的臨時照明應用

        移動電話所提供的LED照明功能普遍被認為是相當精妙的設計,由許多手電筒現在都由數顆低功率LED組成,并通過相對較低的20mA到60mA電流驅動的趨勢可看出。這類照明可做為便攜式手電筒,但它微弱的照明強度對支持黑暗環境下的拍照動作卻顯不足,事實上必須要有一個或更多高功率LED才能支持1米或更遠的物體拍攝照明,阻礙工程師采用高功率LED的主要原因還是成本問題,但在臺灣地區與韓國制造商逐漸提高功率LED的產能后,預料單價將會開始下降。

        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與驅動時間,例如在照明模式下可以使用200mA的連續電流,而在閃光模式下則采用400mA到1A的脈沖電流,閃光脈沖的時間長短依相機模塊的特性而定,通常閃光脈沖的寬度介于20ms到200ms之間,閃光驅動電路能支持閃光LED大約1A的驅動電流,提供LED高達4.9W的輸出,為讓LED的結溫維持在最高可容的范圍,必須用良好的溫度管理策略,將脈沖寬度縮小有助降低不必要的消耗,而較大的接地面積也是將熱量從LED導出的一個推薦方法。

        單顆高功率閃光燈驅動電路

        升壓式轉換器是支持高功率LED中最高達4.9V正向電壓的必備條件,但是就算是相同的,正向電壓在不同條件下也會不同。當LED升溫時,正向電壓可能會滑落到低于輸入電池電壓,因此就需要降壓式轉換器。技術上說,升降壓轉換器是推動單顆高功率LED最合適解決方案,但這類驅動芯片通常成本較高,同時需要配用提高總體成本與體積的外部電感。升降壓轉換器的優點則在于較高的整體效率,主要原因是完全使用了電池的能量,同時能提供超過1A甚至更高的超高輸出電流。新推出的高電流電荷泵驅動電路是升降壓轉換器的一個低成本替代解決方案。但電荷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從電池吸取電流的限制。

        集成型照明管理芯片

        具備背光與閃光功能,部分甚至還具備RGB與其它影音功能的集成型照明管理芯片(LMIC)目前已經面市,它包含可采用電荷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,這樣的解決方案在翻蓋式或滑蓋式手機中特別有用,因為它免去了由電源管理單元拉到電話另一面所需的長路徑。NCP5608是一個可提供高達500mA的總電流,配備8個輸出的集成型電荷泵驅動芯片,它的輸出電流可由處理器通過I2C端口來調節,同時也能組成不同的LED配置來滿足各種平臺的需求。目前通過單線的數字控制已廣泛應用在獨立型背光LED驅動芯片上,不過這樣的控制協議對LMIC來說速度太慢且太復雜,原因在集成驅動電路中需采用各種不同的控制組合。相反,在LMIC上通常會使用具有時鐘與數據線的I2C或其它專用控制協議。


圖5:集成型LED驅動芯片提供了各種不同的LED組合變化,從4顆以25mA電流驅動的背光功能與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。 

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。

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。

        拍照手機中真正的閃光燈功能

        市場上已出現300萬甚至更高像素的移動電話來支持高質量的照相功能,為能讓LED提供與氙氣式閃光燈媲美的照明強度,可通過推動兩顆或更多的高功率LED作為閃光燈;具備4.5W高功率驅動能力的電感式升壓轉換器可以500mA的驅動電流推動兩顆串聯的LED。注意,在這類驅動電路中必須加入時間限制保護電路以避免LED長時間工作而損壞,同時驅動芯片中也應加入開關來改變照明與閃光應用時的電流大小。

        本文小結 

        LED的批量供貨已經讓移動電話與PDA上LCD面板背光用低功率LED的單價越來越低,新推出的背光驅動芯片也內嵌步進式亮度控制以及不需任何軟件設計,同時也不耗費任何微處理器資源的情境照明控制功能,而這些LED驅動電路可以幫助便攜式產品制造商縮短開發時間。而在較低成本的解決方案上,則可以使用線性穩壓器來推動正向電壓較低的LED。另一方面,市場上也出現幾種閃光燈驅動解決方案。分別為獨立型升降壓轉換器、高電流電荷泵驅動電路以及照明管理芯片。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,目前拍照手機中高功率LED尚未普及的主要原因是單價較高。在部分高端移動電話中使用了兩顆LED以便提供較高亮度的閃光燈來強化拍照手機的拍照效果。在拍照手機逐漸取代數碼相機的趨勢下,更高功率的閃光燈解決方案將越來越普及,從而為用戶提供真正的拍照體驗。(文/安森美半導體低電壓電源管理產品市場經理林欣欣)  


 

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