手機與PDA應(yīng)用LED照明驅(qū)動電路和實現(xiàn)

1、手機與PDA應(yīng)用LED照明驅(qū)動電路的設(shè)計和實現(xiàn)因為具備高照明效率、長效性與小體積， led 已成為便攜式設(shè) 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(yīng)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(yīng)用，而可 達1W勺高功率LED則應(yīng)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(huán)境中的拍照功能。除白光 LED外，RGB紅、 綠、藍）光LED也經(jīng)常被用來強化移動電話的質(zhì)感，通過三種色彩 精確適當?shù)鼗旌?，RGB LED創(chuàng)造出豐富多樣的色彩。在指示應(yīng)用上，當有來電或信息時可以讓彩色 LED閃爍，或

2、利 用色彩來顯示發(fā)話者的身份，例如自行定義的群組，如朋友、家人 或業(yè)務(wù)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(huán)境中也相當有用。為進一步強化使用者的影音感受， RGB LEDfe同時用來產(chǎn)生許多吸引人的發(fā)光效果，其中一個例子是 將RGB勺發(fā)光動作與響鈴的旋律或 MP3音樂加以同步，另外一個 RGB發(fā)光的有趣應(yīng)用則是日本松下公司的"FeEL Talk"功能，因為 RGB LED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 主要白光LED供應(yīng)商目前廣泛應(yīng)用在可攜式設(shè)備LCD與鍵盤背光的白光LED,是由日 商日亞 Nichia ）化學(xué)公

3、司于 1996年推出，透過以淡黃色螢光物質(zhì) 涂布在氮化鎵GaN與銦氮化鎵vlnGaN材質(zhì)的藍光LED上來達成 白光的效果。另外，藍光與綠光 LED的發(fā)展則擴展了 LED色彩輸出 的豐富度。然而，在上世紀 90 年代末期，日本、美國與歐洲等地主要 LED 制造商間的多重專利侵權(quán)問題阻礙了新制造商進入這個市場的可能 性。但幸運地是，這些法律訴訟逐漸透過相互授權(quán)協(xié)商獲得解決， 部分制造商如 Nichia 、ToyodaGosei、 Cree、PhilipsLumileds 與 OSRA等更在當時確立了其領(lǐng)先地位。除此之外，數(shù)年前臺灣與南 韓兩地的新進廠商開始崛起，并在過去 2 年逐漸嘗到了營業(yè)額高度

4、 增長的成果。LED效能大幅提升在大量資金投注LED開發(fā)后，白光LED的照明效率比起剛發(fā)明 時有了大幅度的改善，目前市場上最佳的白光LED照明效率可以達到100lm/W,相當接近日光燈管，而一些領(lǐng)先公司也嘗試在藍光LED上使用不同的涂敷物質(zhì)，并推出更佳發(fā)光效率的設(shè)計方案，因此提 供面板背光所需的LED數(shù)目將持續(xù)下滑，目前移動電話上標準 LCD 面板所需的背光LED大約為24顆，而PDA或智能型手機上LCD面 板的背光則需要610顆。在進一步討論LED背光與閃光燈的驅(qū)動電 路結(jié)構(gòu)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(shù)的差異，LED的正向

5、電壓Vf）大約在 2.74V之間，通常高功率LED擁有高達4.9V的較高正向電壓，因 此LED驅(qū)動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(fā)光。當米用多顆LED來提供背光時，在驅(qū)動電路設(shè)計上應(yīng)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(fā)出相同的色彩，設(shè)計項目師必須確保流經(jīng)每顆 LED的正向電 流能夠相同，低功率LED通常采用20mA勺正向電流，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(qū) 動。目前手機與PDA中最常見的電池型式為鋰離子或鋰高分子可充 電電池，采用鋰材料的可充電電池標準電壓在 3.6V 到 3.7V,

6、工作電 壓則為4.2V到3.2V,為了確保能夠安全運作，這類型的鋰材料電池 只能夠在1C的范圍內(nèi)充電或放電，其中 C為電池的規(guī)格容量，例如 1,000安培小時vmAh的電池最高放電電流為1A,手機通常使用的電 池容量大約在650mA倒1000mAh之間。采用不同陰極材料的新型態(tài) 鋰離子電池已經(jīng)進行開發(fā)以便改善電池的效能，在使用這類電池組 時，設(shè)計項目師應(yīng)該要遵守電氣規(guī)格上的限制并隨之調(diào)整驅(qū)動電 路?，F(xiàn)在就讓我們進一步研究LED在 LCD背光、裝飾光源與相機閃 光燈中的應(yīng)用。LCD背光在使用最高前向電壓為3.4V到4V的LED時，由電池提供的輸 入電壓必須相等或高于所需的驅(qū)動電壓，因此需要一個具

7、有穩(wěn)定電 流功能的升壓式轉(zhuǎn)換器來推動以串聯(lián)或并聯(lián)方式連接的LED.充電泵/切換式電容轉(zhuǎn)換器充電泵轉(zhuǎn)換器目前廣泛使用在LCD的背光驅(qū)動上，與采用電感式的升壓式轉(zhuǎn)換解決方案比較，充電泵驅(qū) 動電路因為具備較低的成本、較薄的厚度以及較低的雜訊特性而成 為較佳的選擇，新推出的積體電路設(shè)計已經(jīng)逐漸改善充電泵驅(qū)動電 路的效率，目前最高效率可超過 93%,平均則大約在80%.漸進式亮度變化與情境式照明漸進式亮度變化主要應(yīng)用在可攜 式設(shè)備啟動或關(guān)機時以創(chuàng)造劇場式的照明效果，在啟動時，背光電 流會依照預(yù)先設(shè)定的時間間隔以步階方式逐步放大到20mA同樣地，在關(guān)機時則采用相反的動作逐步降低，透過微處理器的幫助， 可利

8、用將具備不同頻率的PWNH號送到LED驅(qū)動電路的啟動接腳來 實現(xiàn)這種效果，以特定時間間隔將 LED電流用多重步階的方式加大 或降低，不過這個方法卻有耗費即時處理器資源的缺點，因此在如 NCP5602與 NCP5612等 LED驅(qū)動晶片產(chǎn)品上就將這個功能內(nèi)建在晶 片中 圖1）。C3GhlD |HH12109&220rir;10V 22OfiFnOVC1N C1PC2N C2PC5 C3ipFffi.SVSCLSDA NCP56O2bCSDAIREFGND|：C-SCLLLD1CON01C4 GNP7 ipF/icrvLWYS7SGLVYB7SGpn7CCGNDGNDR110kLlMCdL

9、Mr總僉圖1:典型的2顆LED式充電泵驅(qū)動器應(yīng)用這些驅(qū)動晶片需要兩個飛馳電容、輸出與輸入電容以及一個用 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 理器透過I2C連接埠或輸出入接腳送到驅(qū)動晶片，指令本身應(yīng)該包 含起始與最終電流大小以及亮度變化的時間間隔。當應(yīng)用在RGB LEDt時，這樣的功能就能用來產(chǎn)生情境式的照 明效果，藉由每個RGB LED各自擁有的32個明暗步階，像NCP5623 這類的LED驅(qū)動晶片就可達到32,768種色彩變化，透過這種明暗步 階以及內(nèi)建的對數(shù)演算法，可創(chuàng)造出對眼睛來說相當平順且線性化 的色彩變化，RGBLE驅(qū)動電路包含用來調(diào)整3顆LED輸出電流的獨

10、立控制PWMfe流源，以產(chǎn)生所需的色彩輸出 見圖2）。SCI9SCL2C6SA&LED?5CLR*I£D1KffGJDK,GD iiraosi圖2:具備I2C控制介面的典型RGB LESE動晶片應(yīng)用因為每個電流輸出的時序與電流大小都可以獨立控制調(diào)整，因 此能使用白光或帶有色彩的LED來表現(xiàn)不同發(fā)光模式得到裝飾或指 示用途的輸出，部分具備音訊輸入的電路還能讓彩色LED搭配內(nèi)部MP3或和弦鈴聲的不同頻帶同步動作。ICON模式您是否曾經(jīng)嘗試在黑暗的環(huán)境中觀看手機的時間，這 時明亮背光與黑暗環(huán)境間的強烈對比對眼睛來說相當不舒服，這也 是為何會有''''

11、ICON 模式''''設(shè)計，可在待機模式下以微小的電流 點亮外部LCD面板來顯示時間或特別定義的影像，不過如果這必須 透過PWMI暗控制來達成，那么處理器就心須在整個待機模式下產(chǎn) 生一個連續(xù)的低頻PWMK號，在NCP560沖，這個功能采用硬體方 式實現(xiàn)，并能透過如表1中的數(shù)位指令啟動。&7B4B2B18CRFU尿沁IRE"護 4mEF-14-2iREne表1： NCP5602勺I2C內(nèi)部暫存器位元安排由處理器送到驅(qū)動晶片資料位元組中的 B5代表了 ICON模式 的狀態(tài)，當B5為LOW寸，表示使用的是正常背光模式，每個 LED的 電流可以在OmA

12、到最大30mA間調(diào)整，當B5為HIGH時，就會啟動 ICON模式，且只會將450卩A的電流送到所連接兩顆LED之一，在 這個元件中ICON模式的電流值為固定值，但在類似元件 NCP5612 上，這個電流則可透過單線式通訊協(xié)議來控制，圖3顯示了通過I2C通訊協(xié)議中SCL與 SDA連接線的ICON控制程序。r r一t-TiTr 1*irITt T'1"W一p一T_FITT 'TIjtTF T *甲 V"j一TTT=一!1»rB11申pVV9|imif*im«Bnvbflli *審 . A .MBLi. 一丄.4dJftltililLliLli

13、iJiLtlljI時MVgME 口訛圖3: ICON模式控制時的簡單SCL與SDA連接線上的資料順序線性穩(wěn)壓器/電流源方案在使用具備約3.3V較低前向電壓的叢 集式LED時，可選擇線性穩(wěn)壓器來提供驅(qū)動電流。與切換式轉(zhuǎn)換器 比較，線性穩(wěn)壓器具備較低成本及較低的電磁干擾，因為線性穩(wěn)壓 器只需在驅(qū)動晶片的周邊加入幾顆電阻，同時無需使用切換式元 件，但這類解決方案的缺點是較窄的有效電池電壓運作范圍，圖4顯示了使用NUD430低壓降線性穩(wěn)壓器做為兩顆 LED驅(qū)動電路的情 況，依標準0.2V壓降以及3.3V的LED前向電壓考慮，穩(wěn)壓器將在 電池電壓低于3.5V時離開穩(wěn)壓模式并進入飽和模式，這將造成穩(wěn)壓 器

14、輸出電流大幅下滑同時LED亮度開始變暗，不過如果最低電池電 壓是在可接受的范圍，那么線性穩(wěn)壓器還是小型LCD面板最具成本效益的背光解決方案。Rsensei圖4:采用線性穩(wěn)壓器NUD430做為推動小型LCD面板背光的兩顆LED馬驅(qū)動電路行動照明應(yīng)用臨時照明手機所提供的LED照明功能普遍被認為是相當精妙的 設(shè)計，這可以由許多手電筒現(xiàn)在都由數(shù)顆低功率LED組成，并透過20mA到60mA較低電流推動的趨勢看出，這類照明可做為可攜式手 電筒，但它微弱的照明強度對支援黑暗環(huán)境下的攝影不足夠，事實 上必須要有一個或更多的高功率 LED才能支援1公尺或更遠的拍攝 照明，阻礙項目師加入高功率 LED的主要原因還

15、是成本，目前量產(chǎn) 的高功率LED主要仰賴全球5大制造商供應(yīng)，不過在臺灣與韓國制 造商的功率LED產(chǎn)能逐漸開出后，預(yù)料單價將開始下滑，同時驅(qū)動 電路的成本也會隨量產(chǎn)而下降。單顆高功率閃光燈驅(qū)動電路升壓式轉(zhuǎn)換器是支援高功率LED中最高達4.9V前向電壓的必備條件，但就算是相同的LED晶片，前向電壓在不同條件下也會有所不同，當 LED溫度上升時，前向電壓可 能會滑落到低于輸入電池電壓，因此就需要降壓式轉(zhuǎn)換器，技術(shù)上 來說，升降壓轉(zhuǎn)換器是推動單顆高功率 LED的最佳方案，不過這類 驅(qū)動晶片通常成本較高，同時也需搭配會提高成本與體積的外部電 感。升降壓轉(zhuǎn)換器的優(yōu)點則在于較高的整體效率，主要原因是完全 使

16、用了電池的能量，同時能夠提供超過 1A甚至更高的超高輸出電 流，新推出的高電流充電泵驅(qū)動電路是升降壓轉(zhuǎn)換器的一種低成本 替代方案，不過充電泵轉(zhuǎn)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能夠由電池所提取的最大電流限制。整合型照明管理晶片具備背光與閃光功能，部分甚至還具備RGB與其他影音功能的整合型照明管理晶片（LMIC目前已出現(xiàn)在市 場上，它包含了可能采用充電泵或電感式設(shè)計的升壓轉(zhuǎn)換器，每個 輸出則由可調(diào)式電流源提供，這種方案在掀蓋式或滑蓋式手機中特 別有用，原因是它免除了由電源管理單元拉到電話另一面所需的長 路徑。NCP5608是一個可以提供整體高達500mAt流，配備8個輸

17、出的整合型充電泵驅(qū)動晶片，它的輸出電流可以由處理器透過 I2C 連接埠來加以調(diào)整，同時也能夠組成不同的 LED組態(tài)來滿足各種平 臺的需求，請參考圖 5。ownLED1 ILD2LED3LED4 LEDS LEOBLED 了LED8LFD1 LFD2LED3LED4 LEOSLED6LLD7 LED日：?-rt ' O tVQJ-IED1 LED2 LED3 LED LED5 IFD6 LED?LED8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3.6V3.7V,工作電壓則為4.2V3.2V,為確保能夠安全工作，這類型的鋰電池只

18、能 夠在1C的范圍內(nèi)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6501,000mAh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(fā)。在使用這類電池組時，設(shè)計項目 師應(yīng)該遵守電氣規(guī)格限制并據(jù)此調(diào)整驅(qū)動電路。在使用最高正向電壓為3.4V4V的LED時，由電池提供的輸入 電壓必須等于或高于所需的驅(qū)動電壓，因此需要一個具有穩(wěn)定電流 功能的升壓式轉(zhuǎn)換器來推動以串聯(lián)或并聯(lián)方式連接的LED.電荷泵轉(zhuǎn)換器目前廣泛使用在 LCD的背光驅(qū)動上，與采用電感式的升壓式轉(zhuǎn)換解決方案比較，電荷泵驅(qū)動電路因為具備較低的成本、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(shè)計已經(jīng)逐漸改善電荷泵驅(qū)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(qū)動電路通常采1x與2x 模式運作，部分設(shè)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(lián)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(qū)動芯片