如何加強背光照明

如今，大部分便攜式設(shè)備尤其是移動電話中的鍵盤背光照明以及其他裝飾燈都傾向于采用個性的設(shè)計方式。然而，顯示屏的背光和鍵盤的背光在要求上是不同的，而且這分別會影響到相關(guān)LED的驅(qū)動方法。

現(xiàn)在大部分的便攜式電子產(chǎn)品，如移動電話、個人電子手帳、導(dǎo)航系統(tǒng)等，都擁有一個需要背光照明的小型LCD顯示屏作為用戶界面。人們用這些設(shè)備來觀看高分辨率的相片、影片和上網(wǎng)瀏覽的時間亦越來越長。這樣，人們對具備媒體存儲能力的高質(zhì)亮顯示屏的需求變得越來越強烈，對背光LED和驅(qū)動器技術(shù)的挑戰(zhàn)也就越大。現(xiàn)今，雖然白光照明LED主導(dǎo)了市場，但新涌現(xiàn)的紅綠藍(RGB)背光可改良顯示屏上的色彩飽和度，因此前景無限。

LED和鋰離子電池的改變將會影響背光驅(qū)動電路的設(shè)計。并且，在便攜式設(shè)備上增加LED的數(shù)目會造成LED驅(qū)動設(shè)計上的挑戰(zhàn)。最常見的挑戰(zhàn)包括電源效率、控制界面/可編程能力、方案的大小尺寸、電磁干擾(EMI)和系統(tǒng)成本等。

亮度控制

背光照明LED的亮度控制可經(jīng)由脈沖寬度調(diào)變(PWM)或恒流控制來實現(xiàn)。PWM亮度控制需動用一個恒流驅(qū)動器來驅(qū)動LED，但需要調(diào)節(jié)開/關(guān)時間才能達到所需的光度。因此PWM控制比直接的恒流控制更加復(fù)雜。

恒流控制的好處是沒有了連續(xù)的開關(guān)動作，因此進行亮度調(diào)校時，由LED色譜位移而引致的EMI較低。LED制造商將LED按照“群集電流”來分組，并確保LED的表現(xiàn)不會降低。當群集電流改變時，LED的亮度變化會多于設(shè)定的規(guī)格，因此肉眼能分辨出背光照明LED之間的不同亮度。當使用很低的電流時，上述情況尤其明顯。

如果使用PWM來控制亮度，那亮度調(diào)節(jié)便會在整個范圍內(nèi)呈線性，而且被調(diào)節(jié)時不會產(chǎn)生顏色上的變化。不過，PWM的變換會產(chǎn)生電磁干擾和可聽得到的噪聲。該噪聲是由陶瓷電容器的壓電效應(yīng)所產(chǎn)生。為了免除這可聽噪聲，PWM的頻率必須高至人耳收聽不到的水平，如20kHz。另外一個方法便是使用很低的頻率，令應(yīng)用中的電容器和電路板不會產(chǎn)生共鳴，并保證不會產(chǎn)生出可聽到的“啪啪”聲(如250Hz)。通過減慢PWM控制的上升/下降沿可有助削減電磁干擾的強度。

背光照明驅(qū)動器的拓撲

驅(qū)動器拓撲可以分為并聯(lián)和串聯(lián)兩種。當每一個LED均需要做個別控制時，會使用并聯(lián)驅(qū)動。在背光照明的應(yīng)用中，所有LED的亮度應(yīng)該是一致的。但如果使用并聯(lián)驅(qū)動器，LED電流之間可能會出現(xiàn)輕微的失配。幸而，配合最新的驅(qū)動器后，這種電流失配就變得微不足道了。因為這些LED的典型亮度容差一般比輸出電流中的失配大很多。

當背光照明LED串聯(lián)在一起時，相同的電流會流通所有LED，使得LED電流間出現(xiàn)百分百的匹配。此外，采用串聯(lián)驅(qū)動后無須為每個LED進行個別的驅(qū)動器布線，所以PCB布線變得更容易。由于驅(qū)動器輸出的正向電壓已考慮到了數(shù)個LED，因此串聯(lián)驅(qū)動法比并聯(lián)驅(qū)動法稍勝一籌。串聯(lián)驅(qū)動需要高壓的升壓轉(zhuǎn)換器(如20V)來從鋰離子電池中提取足夠的電壓以驅(qū)動數(shù)個串聯(lián)LED。

驅(qū)動LED的最普遍方法是用低邊驅(qū)動器輸出，LED輸出腳可作為一個恒流下沉(constantcurrentsink)。在這情況下，LED輸出和電源電壓需要獨立的布線。如采用高邊驅(qū)動器輸出，那LED的輸出腳便成為電流源，同時只有LED接腳要布線，LED陰極則直接接地。通常，在PCB處都有一個接地面，因此無須進行獨立的布線。圖1所示為不同驅(qū)動方法。


圖1并聯(lián)高壓側(cè)和串聯(lián)低壓側(cè)驅(qū)動

白光LED和電池技術(shù)

便攜式設(shè)備一般都用一枚鋰離子電池來工作，其電壓視所需的電荷介乎2.8～4.3V之間。白光LED正向電壓一般為3.5V，這是單一的鋰離子電池通常不能驅(qū)動的，因此需要采用升壓式DC/DC轉(zhuǎn)換器。轉(zhuǎn)換器可以是電容式(電荷泵)或電感式(磁力升壓)。由于電荷泵的體積較小，一般都會用在并聯(lián)LED驅(qū)動器上。至于磁力升壓轉(zhuǎn)換器，一般都會用于高壓的串聯(lián)驅(qū)動器內(nèi)，原因是電荷泵技術(shù)所能達到的輸出電壓還不夠高。轉(zhuǎn)換器輸出電壓的調(diào)節(jié)可以通過LED正向電壓的感應(yīng)來自動(適配性)履行，或者用戶可根據(jù)LED正向電壓的規(guī)格來設(shè)定一個恒壓。

未來，新型鋰離子電池和LED技術(shù)將會為LED驅(qū)動帶來新的挑戰(zhàn)。配合最新的化學(xué)成果，電池電壓的范圍將擴大到2.3～4.7V，而典型的白光LED正向電壓將會下降至2.9V。與此同時，輸出驅(qū)動器的飽和電壓都會隨著下降。當采用并聯(lián)驅(qū)動時，要高效地驅(qū)動一個2.9V的LED，就需要動用一個升降壓轉(zhuǎn)換器。圖2所示為由電池、驅(qū)動器和LED技術(shù)的進步所帶來的效果。


圖2電池和白光LED正向電壓的技術(shù)進展