小型彩色LCD顯示屏已經(jīng)被集成到范圍越來越寬廣的產(chǎn)品之中。彩色顯示屏曾被視為手機的豪華配置,但如今,即便在入門級手機中,彩屏已成為一項標配。幸好,手機產(chǎn)業(yè)的經(jīng)濟規(guī)模性(全球手機年出貨量接近10億部)降低了LCD彩色顯示屏的成本,并使它們集成在無論是便攜醫(yī)療設備、通用娛樂遙控器、數(shù)字相框/圖像查看器、教育玩具,或是最新具有WiFi功能的VoIP無繩電話等其他產(chǎn)品中都具有吸引力。
彩色LCD顯示屏需要白色背光,以便用戶在任何光照環(huán)境下都能正常地觀看。這個背光子系統(tǒng)包括1個高亮度白光發(fā)光二極管(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(wěn)壓為恒定電流以驅動LED。一塊1到1.5英寸的顯示屏可能包含2到4個LED,而一塊3.5英寸顯示屏則可能輕易地就包含6到10個LED。對于LED而言,其光輸出與電流成正比,而且由于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通常分布在LCD顯示屏的一邊。此外,也需要軟件控制讓用戶調節(jié)亮度,以及針對周圍光照環(huán)境作出補償。根據(jù)流經(jīng)LED電流的不同,LED的色點(color point)可能會漂移。因此,將LED電流設定為固定值并對LED進行脈寬調制以降低平均光輸出就很普遍。要在手持產(chǎn)品設計中集成小型彩色LCD顯示屏并進而實現(xiàn)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(chǎn)品需要優(yōu)化的LED驅動電路架構,這些架構要處理并存的多項挑戰(zhàn),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。常用的拓撲結構有兩種,分別是LED采用并聯(lián)配置的電荷泵架構/恒流源架構和LED采用串聯(lián)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(jīng)的電流大小相同但需要采用電感進行能量轉換,而電荷泵架構使用小型電容進行能量轉換,但所有LED并聯(lián)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。
圖1:電荷泵和電感LED驅動器電路圖。
設計時應做好以下幾點
1． 評估顯示屏的大概使用時間
選擇白光LED驅動器時,需要考慮到顯示屏的使用頻率。如果顯示屏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。較大的顯示屏需要較多的LED,而顯示屏使用時間較長的應用則會從能效更高的升壓型拓撲中受益。相反地,如果顯示屏僅用于短時間背光,那么效率就可能不是一項關鍵的設計參數(shù)。
2． 仔細考慮LED選擇
LED技術持續(xù)快速改進,制造商在使用新的材料、制造技術和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進行背光的顯示屏如今可能采用2個LED就能實現(xiàn)同樣的背光亮度。不僅如此,過去通常使用冷陰極熒光燈(CCFL)進行背光的4到7英寸較大顯示屏,如今正在轉向使用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制造商的數(shù)據(jù)表曲線上的驅動器效率,還需要基于采用所選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(guī)范,顯示了這些LED在正向電壓和發(fā)光亮度等方面的差別。需要說明的是,正向電壓范圍的變化較大,這意味著驅動器的效率應該采用LED規(guī)范的極限值來進行評估。
表:幾種不同的LED的特性參數(shù)。
3. 注意布線
即使各個LED采用10到20mA的極低電流來驅動,流經(jīng)轉換器的峰值電流也明顯高得多。這對于電感拓撲結構而言猶為如此,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?shù)牡蛽p耗布線技術。對電荷泵型拓撲結構而言,電容應該布置在鄰近驅動器的位置,使回路面積減至最小以避免輻射開關噪聲。對于電感升壓型轉換器而言,輸入和輸出電容以及電感應設在鄰近驅動器的位置。此外,電流設定電阻(Rfb)應該直接連接至芯片的接地,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(huán)境下測您的試產(chǎn)品
考慮顯示屏在外界高亮度光照條件下的表現(xiàn),并確保軟件調光控制擁有足夠的動態(tài)范圍,從而在預期的光照環(huán)境下能夠充分地對顯示屏進行調光。
應該注意避免以下問題
1． 忘記考慮邊界和故障模式
錯誤總會發(fā)生,如果LED對地開路或短路,驅動器應該如何處理這個問題？對于電感升壓驅動器而言,如果LED串開路,輸出就會激增,因為恒定電流會對輸出電容進行充電,從而需要過壓保護,但這種功能可能會、也可能不會集成在驅動器中。這在工廠測試中可能會成為一個問題,因為顯示屏在某些測試步驟中可能還未被安裝。此外,評估產(chǎn)品開啟時的浪涌條件也很重要,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。采用軟啟動和/或對不同電路模塊進行軟件排序就能夠將這個問題最小化。
2． 只盯著峰值效率
由于用戶可調節(jié)背光亮度,因此需要考慮顯示屏背光預計會在大多數(shù)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、電池電壓范圍和正向電壓變化。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,都應該考慮采用低的等效串聯(lián)電阻(ESR)X5R或X7R陶瓷電容使損耗降到最低。同樣在電感型案例中,(若有外部的)肖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,使用帶有0.3Ω ESR的電感來以20mA電流驅動5個串聯(lián)的LED時,效率會比帶1.3Ω ESR的電感高5%。當然,這并不是沒有代價的,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驅動器置于顯示器的下面。
作者:
Bernie Weir
應用總監(jiān)
安森美半導體公司
