（微电子学与固体电子学专业论文）高精度并联白光led驱动电路设计.pdf

摘要 摘要 高精度并联白光l e d 驱动电路是为彩色l c d 提供背光光源的应用产品开发项 目。白光l e d 是电流驱动的器件，其亮度与流过l 凹f 向电流大小呈比例关系。 并联自光l e d 驱动电路为白光l e d 提供能源，并根据实际应用调节亮度。 文章分析和设计了一种具有较高电流控制精度和匹配精度的并联白光l e d 驱 动芯片，并在成功流片后进行了测试。整个电路包括两个相对独立的模块：具有 自适应调整功能的电荷泵电路和并联l e d 电流控制电路。电荷泵电路的功能是根 据输入电压自动选择1 5 x 或者1 x 电荷泵工作模式并输出相应电压信号，有较高 的功率转换效率；电流控制电路的功能是实现几个并联l e d 通道的电流匹配并根 据外加输入信号控制l e d 电流的大小。系统采用o 5pmc m o s 工艺：输入电压范 围为2 7 v 到5 5 v ；在关闭状态下消耗电流小于1ua ；具有软启动功能，可减小 启动过程中的浪涌电流；具有短路及过热保护功能，工作温度范围为一4 0 至8 5 ； l e d 亮度控制可以通过外加d c 或p 1 j | m 电压信号和很少的外部元件实现。与传统的 并联驱动电路相比，该电路在电流控制精度和匹配度上有很大的提高。 在电路设计中，结合开关电容采样保持电路、p w m 几i n e a r 亮度控制模式以及 恒流源驱动等理论给出设计依据，并根据功能需求进行了电路的总体结构设计和 子电路设计。重点分析了典型子电路模块：开关电容采样保持电路、亮度控制电 路、振荡器、过温保护电路、p t a t 和带隙基准电路等。 在完成电路原理分析与电路结构设计的基础之上，应用e d a 软件h s pt c e 对各 个子电路模块和整体电路进行了功能仿真及量化模拟，仿真结果均达到或优于预 定指标，验证了设计理论，是设计理论与实践相结合的一次有价值的尝试。 在完成电路仿真、版图设计建议，以及后仿真工作后成功流片。最后，完成 了芯片的测试工作。理论分析、仿真结果和芯片测试数据表明，在典型情况下， 浚电路的电流控制精度相对误差和匹配相对误差可以控制在o 5 以内，达到了 预定设计目标。 关键词：并联白光l e d 驱动，开关电容，电流匹配，电荷泵 垒! ! 塑! 一 a b s t 忸c t t h eh i 曲p r e c i s ep a r a l l e lw h i t el e d “v e ri su s e df o r b a c k l i 曲妇gac o l o rl c d r e c e m l y ，t h e r ea r eal o to fc o m p a l l i e sb o ma th o m ea i l da b r o a dt h a th a v ea l r e a d y c o n d u c t e di 1 1 一d 印mr e s e a r c h e si 1 1 1 i sr e g a r d 、h i t el e di so n e1 【i n do fl i 曲廿n gd e 、，i c e s d r i v e l lb yc u r r e n t t h ei n t c n s i t yo fl e di l l m 血a t i o ni sp r o p o r t i o n a lt ot h ec u n _ c n t m _ o u 曲i t p 啦! 1 e 1w l l i t el e d d r i v e rp m v i d e sm e p o w e r t ow 1 1 i t el e d sa n dr e 刚a t e s 血e c u r r e n ti m e n s i 锣o f m e i na c c o r d i l l gt op m c t i c a la p p l i c a t i o n a h i 曲p r e c i s ep a r a j l e lw l l i t eu z dd r i v e rw 油丘n c rc u r r 饥tc o i 血o lp r e c i s i o na n d m a t c h i l l g p r e c i s i o ni sa n a l y z e da n dd e s i 弘e di n 山et l l e s i s a n dt h ec h j pw a s t c s t e dm e r t 印e do u ts u c c e g s f u l l y t h e r ea r et w or e l a t i v d yi n d 印e n d e i l ts u b _ b l o c k si nt 1 1 es y s t 锄： s e l f a d j u s t i l l gc h a 唱ep u m pa n dp a r a l l dl e d c u r r e n tc o n n d ld r i v 既t h ec h a r g ep u 哪p a u t o m a t i c a l l ys w i t c h e sb e 咐e e l l1 x 1 5 xm o d e sb a s c do nm ei n p u tv o l t a g e ，t om a i l l t a i n c o r i 弓c to u t p u tl e v c l sa tah i 曲p o w e re 伍c i e n c yt h el e dd r i v e rr e g i l l a t e st h ec u r r e n to f l e d st oav a l u ec o n 丘g u r e db yt l l eo u t s i d cc o 曲d ls i g n a l t h ef o u rl e do u t p u tc h a 蚰d s a r ec u r r e i l tm a t c h e df o rc o n s i s t e n tl e d b r i 曲n l e s s t h ec h i p 、髓st 印c do u ts u c c e s s m l y b yu s i l l g0 5umc m o sp m c e s s 、 ，i t l l 衍d ei n p u tv o i t a g em g e o f2 7 vt o5 5 vt h e 血v e rh a st h eq u i e s c c n tc u i t e n tu n d e r1uaa 1 1 da l s oh 髂s o 冉s t a nc i r c u i n yt ol i 础 i i l n l s hc 肼e n tn o wa tp o w e ru p t h ec h i pc a nb eo p e r a t e dn o n n a l l yi 1 1 也et e i 】1 p e r a t u r e 啪g eo f 一4 0 t o8 5 a c c o r d i n gt ot 1 1 es i m u l a d o nr e s u l t s t h eb r i 曲协e s so ft l l ew i l i t e l e d sc a nb ec o n 廿0 1 l e db yu s i n gad c v 0 1 t a g eo rap w ms i 弘a l 印p l i e dt od l ep i l lw i t h af b we x t e m a ic o m p o n 舢妇a d d e d c o m p a r e dw i 血缸a d m o n a lp a 仕e m ，m ep r o p o s e d c i r c u i ti m p m v e st h ec o n n d lp r e d s i o na 1 1 dl e d - t o - l e dm a t c h i n gp r e d s i o n t h ew h 0 1 es y s t e ma i l a l y s i sa n ds u b - b l o c kd e s i 印w e r ep r o c e e d e dt 0 恤e 缸l c t i o n r e q u i r e m e n t s 聊i c a ls u b - b l o c k sw e r ea n a l y s e de m p h a l i c a l l ys u c ha ss 1 i t c hc 叩a c i t o r s a m p l i l l 皇儇0 1 d i n gb 1 0 c k ，b r i 捌咖e s sc o n 打o ib 1 0 c k ，o s c i a t o r ，t h c m a ls h u td o w n c i r c u i t ，p t a ta i l db a i l d g 印r e 衙e n c ee t c p r i n c i p l ea n do p e r a t i o no fd f i v e rc i r c l l i ta r ca i l a l y z e di 1 1m et h e s i s b a s c do nm a t ，吐1 c a u m o rs i m u la l i 埘m o s to f 血es u b _ b l o c kc i r c l m s 觚d ，h 0 1 ec h j pc i m i tb y 印p i y i n ge d a t o o l sh s p i c e t h es i m u l a 廿o nr e s m t si 1 1 d i c a t em a t l ei ch a sa c h i e v e dm ee x p e c t a t i o n ， i 丌 a b s 仃a c t b o mi n 缸1 c t i o nt a r g e t sa n de l e c 啊c a lc h a r a c t e r i s t i c s a r c rc o m p l 鲥n gc i r c u i ts i i i m l a t i o n ，l a y o u ta i l dp o s t - 1 a ) r o u ts i m u l a t i o n ，m ec h j pw a s t 印c do u ts u c c e s s 伽1 yt h e o r e t i c a la i l a l y s i s ，s i m u l a t i o na r l d t e s tr e s u l t ss h o wt h a tm e r e l a t i v ee o r so fm ec u e n tc o n 仃o lp r e c i s i o na 1 1 dm a t c h i n gp r e c i s i o na r eb o t hb e l o w 0 5 u n d e rt 1 1 et y p i c “c i r c u m s t a n c e s t h a tp r 0 v e dm ef 1 1 i l c t i o no fc h i p 血m l e r k e y w o r d s ：p m l i e lw 扯t el e d 曲v e r ，刚t c hc a p a c i t o r ，tm i 锄a t c h ，c h a r g ep 啪p i v 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含 为获得电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明 确的说明并表示谢意。 i 签名：兰量登日期：沙年争月哆日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或 扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名： 第一章引青 第一章引言 白光l e d ( l i g h t 陆i t t i n gd i o d e ) 为手机、p d a ( p e r s o n a id i g i t a la s s i s t e n t ) 等便携式设备的彩色显示屏提供完美的背光解决方案。但由于大多数手持设备的 电池供电电压低于l e d 正向导通电压，因此，d c - d c 升压转换必不可少。此外， l e d 是电流驱动的器件，其亮度与正向电流呈比例关系0 1 ，而l e d 产品的匹配性 差，导通压降存在较大偏差，直接与电源连接会造成亮度的小一致，因此，电流 控制单元也是必不可少。这也对设计功能完备的白光i 正d 驱动芯片提出了要求。 1 1 白光l 印驱动芯片的研究意义与价值 近几年，业界开始大量采用l e d 替代c c f l ( c o l dc a 岫d ef l u ( r e s c e n tl 锄口 冷阴极荧光灯管) 和e l ( e l e c t ml u m i n 锄c e 电致发光片) 作为l c d ( l i q u i dc r y s t a l d i s p l a y ) 的背光光源，广泛用于p c 、t v 、汽车音响、手机、通信设备、个人数 字助理( p d a ) 和手表等领域，成为彩色l c d 背光市场的主导产品。而由于l e d 产品自身性能以及电源供电电压的制约，必须采用白光l e d 驱动芯片为其提供稳 定电压源并控制l e d 电流大小。 在实际应用中，对于d c d c 升压转换单元，相比传统开关电源电路，电荷 泵不需要电感元件，仅依靠外部电容器即可实现升压、降压、电压逆变等转换。 园为电感货源较少，标准翅格和尺寸较少、电磁干扰多且成本较高、对布线敏感， 电荷泉设计方案为实际工程应用带来很人的方便“1 。对于电流控制单元，为l e d 提供稳定、匹配的电流是必须要满足的功能。此外，很多应用产品的屏幕都要具 备背光调整功能，例如p d a 等产品的使用者需要调整屏幕亮度，以适应周围环境。 还有许多产品的处理器会在系统闲置一段时间后，自动降低或切断背光电源等。 这些都要求所设计系统能够糖准控制l e d 输出电流“1 。因此，需要在芯片中整合 电流控制模块。除上述功能外，系统还应集成各种保护电路，以保证芯片正常工 作。 综上所述，根据市场需求，为自光l 叻提供性能优良的驱动电路，具有很大 的经济价值和实用意义。 的经济价值和实用意义。 电子科技大学硕士学位论文 1 ，2 白光l 印驱动芯片的研究进展 目前，白光l e d 主要用于彩屏手机和彩屏p d a 。一个彩屏l c d 的均匀背光需 要3 至4 个或更多的白光l e d ，智能手机可能需要6 个或更多的白光l e d 。市场需 求的增多，有力地推动了白光l e d 驱动电路的发展。 在欧美及日本等芯片开发制造技术较为先进的地区，各大芯片公司投入许多 人力，并成立专门的机构从事白光l e d 驱动电路的研发工作。由于白光l e d 的导 通压降一般为3 5 v ( 2 0 i i l a ) ，最大值可以到达4 v ，而单节锂离子电池的一般输出电 压为3 6 v 至4 2 v ，因此，一般不能直接用单节锂离子电池来驱动自光l e d ，通常 需要用专门的升压转换器来解决白光l 印的正向电压问题。常用的升压转换有两 种解决方案“1 ：一种是电荷泵方式，其优点是占用面积小、结构简单、无电磁于扰。 利用分立电容将电流从输入端传送到输出端，整个过程不需要电感。这种驱动电 路，只需要根据芯片规格选择合适的电容，但是它只能提供固定的升压倍数，绝 大多数电荷泵的电压转换比例是1 5 倍或者2 倍，这表示输出电压不可能高于输 入电压的1 5 倍或者2 倍。因此想利用电荷泵驱动一个以上的自光l e d ，就必须采 用并联驱动的方式。为了保证电流平均分配，通常用外接电阻或者在芯片内部采 用电流镜结构。通常并联驱动电路转换效率较低，以往一般不超过8 0 。因此， 现在各大公司对电荷泵式驱动芯片的改进主要集中在提高其功率转换效率方面， 相应开发自适应电荷泵，根据电源和l e d 正向压降来改变升压倍数，延长电池使 用寿命。美国国家半导体公司推出的多款白光l e d 驱动芯片采用这种升压方式。 另一种是电感开关升压方式，采用电感型d c d c 升压转换原理，由于提供较 高的输出电压，可以串联驱动多个l e d 。其优点是效率较高“1 ，转换效率一般都在 8 0 以上。这种l e d 串联型的驱动方式与并联型方式相比，通常具有效率高的优 点。但是，由于使用了电感和高速的开关管，电路的工作有可能对系统其他模块 产生干扰。尤其在手机应用中，对手机接收灵敏度的影响尤其值得注意。因此， 现在各大公司对这种电感式驱动芯片的改进主要集中在抑制干扰方面。为了抑制 传导干扰，一般采用适当的e m i 滤波器；为了抑制辐射干扰，一般会把产生干扰 的模块用屏蔽罩和其他模块隔离开。除了这些外部的抑制手段外，也可以控制驱 动电路内部开关管的上升下降沿，使得上升下降沿不要过于陡峭，并且尽量减小 过冲，这样也可以减小电磁干扰。不过如果上升下降沿过缓，对转换效率会造成 一定的影响。很多白光l e d 驱动电路厂商采用电感开关升压方式，如c a t a l y s t 公 司的c a t 3 2 型白光l e d 驱动电路，它工作在1 2 删z 的固定频率上，增强低电压电 2 第一章引言 池的输出电压，并自动调整驱动电流，可支持4 个串联在一起的自光l e d 。该公司 正在开发比c a t 3 2 更先进的白光l e d 驱动电路，它可通过m p u 对电流进行控制， 并集成了无源元件，从而节约了成本。表卜1 、卜2 列出了美国两大芯片公司的主 要白光l e d 驱动产品，其中既有电荷泵升压方式，也有电感开关升压方式。 表卜l 美国 l a x i m 公司主要自光l 叻驱动产品 黼鬻黧瓣满滋熏磁鬻黧麟瓣瓣鬻麟蓥嚣瓣 w h n el e dp o w e r ：2 3c e o np o 怕b i e 3 m a x l 6 8 0 0l i n e a rc u r r e n tr e g u i a t o r g e n e r a ip u r p o s e ：l c dd i s p i a ys u pp i l e sn on 0 w h n el e dp a w e r ：2 3c e ，1l i i o np o n a b i e s m a x 8 6 3 1 xl j n e a rc u r r e n tr e g u i a t o r l c dd i s p i a ys u p p l e s ：l o wv o i t a g el o g i cn oy e s w h j t el e dp o w e r ：2 3c e l i l o np o n a b f e s m a x 8 5 9 5i n d u c t o rb a s e ds t e p u pl c dd i s p i a ys u p p e s ：l o wv o i i a g el o g i cy e s n o c a p a c n o rc h a r g ep u 忡， r e g u i a t e d w h el e dp o w e c2 - 3c e ml i i o np o n a b i e s i n d u c t o rb a s e ds t e p - u p l c dd j s p i a ys u p 叫e s m a x l 5 7 9 l o wv o i t a g el o g i cy e sy e s w h i t el e dp d w e r 2 3c e i l i f o np o n a b i e s m a x l 5 7 0 l i n e a fc u f r e mr e g u l a t o fl c od i s p i a vs u p 洲e s ，l a wv o l t a g el o g i cn oy e s 表卜2 美国n a t i o n a l 公司主要自光l e d 驱动产品 n a “o n a ls e m i c o n d u c t o r l m 2 7 0 5 w c r o p o w e rs t e p u pd c ，d cc o n v e r t e rw i t h1 5 0 m ap e a kc u r r en tl i m i t l m 2 7 0 7 f 2 )i n d u d i v e b o o s ts e e sl e dd r i v e rw j t hp r o g r a m m a b i e0 s c i l a t o rf r e q u e n c y l m 2 7 5 0 f 8 )l o wn o s er e g u i a t o rs w i t c h e dc a p a c c o rb o o s tr e g u i a t o r l u r r e n tk e g u | a c e 廿s w j t c n e dl - a p a c i t c rl 七ds u p p f yw f t na n a i o ga n dp w m l m 2 7 9 4 f 4 1 b r i g h t n e s sc o n t r o l l u r r e n ck e g u i a t e ds w l t c n e dc a p a c l t o rl 匕ds u p p i yw i t na n a l o ga n dp w 嗣 l m 2 7 9 5 f 4 1b r i g h c n e s sc 0 n t r o l l m 3 5 0 0 f 5 1 s y n c h r o n o u ss t e p u pd c ，d cc o n v e 他rf o rw h i t el e da p p f l c a t i o n s l m 3 5 0 ( 3 1 s y n c h r o n o u ss t e p u pd c ，d cc o n v e r t e rf o rw h i t el e oa p p “c a t f o n s 目前在国内外有许多白光l e d 驱动芯片设计厂商，但主要集中在美国、日本 等集成电路很发达的国家。在我国主要分布在台湾，大陆地区比较少。在美国除 了表卜1 、l 一2 所列的m a x i m 和n a t l 0 n a l 公司以外，还有德州仪器( t i ) 公司， 其产品有r e g 7 l o 、r e g 7 l l 、t p s 6 1 0 4 0 、t p s 6 1 0 4 2 、t p s 6 1 0 4 3 、t p s 6 1 0 4 5 ；0 n s e m i 公司，其产品有n c p 5 0 0 7 、n c p l 4 2 1 、n c p l 4 0 6 。在日本有三洋、三菱、松下等公司； 还有荷兰的p h “i p s 公司等。大部分高端产品都是由国外公司进行研发和制造， 提高我国白光l e d 驱动芯片的开发制造能力是十分必要的。 电子科技大学硕士学位论文 1 3 论文设计目标和主要内容 1 3 1 论文设计目标 论文最终要求完成满足设计要求的高精度并联白光l e d 驱动：芯片的电路设 计、版图设计建议、验证、流片和芯片测试工作。 芯片需要满足以下几个基本指标：4 个并联外接l e d 电流匹配误差不超过 土o 5 ；每个l e d 的输出电流可以达到2 0 m a ；输入电压范围为2 7 5 5 v ；负载开 路的条件下，静态电流最大不超过9 m a ；同时具有关闭控制功能，在关闭状态下， 泄漏电流小于1 u a ；具有过热保护电路，工作温度范围为4 0 + 8 5 。 1 3 2 论文主要内容 本文的主要内容是分析设计一种高精度并联白光l e d 驱动电路，并对电路中 的开关电容电路、p w m l i n e a r 亮度控制模式以及恒流源驱动等理论进行深入分 析与论证。全文共分六个章节。 第一章介绍了l e d 驱动电路的国内外发展动态、理论意义和实际价值，并对 文中各章节进行安排。 第二章总体阐述设计方案以及主要电路工作原理。首先对该课题做总体概述， 然后对驱动芯片的两个相对独立模块电荷泵电路和电流控制电路做了介绍。特别 深入分析了在l e d 电流控制模块中采用的开关电容电路，并与其他传统常用方式 进行对比。这种结构消除了运算放大器失调电压，从而实现对l e d 电流的精确控 制和更高的l e d 通道电流匹配精度。 第三章对本课题中的予电路模块进行分析，其中包括带隙基准电压源、环形 振荡器、时序电路、过温保护电路以及运放等，对这些模块的工作原理及参数求 解都做了较为详细的阐述，并给出了典型情况的仿真结果和容差分析结果。 第四章介绍了整体电路联合仿真和容差分析，并给出仿真结果。 第五章给出了对整个l e d 驱动电路的版图设计建议、版图后仿真结果以及测 试结果。 第六章是结论部分。 4 第二章高精度并联白光l e d 驱动电路原理与分析 第二章高精度并联白光l e d 驱动电路原理与分析 白光l e d 驱动芯片主要分为自适应电荷泵升压电路和并联l e d 驱动电路两 部分，采用恒流驱动模式，直接检测和控制流过l e d 的电流，从而达到精确控制 亮度的目的。文章重点介绍并联l e d 驱动电路。 先整体说明驱动芯片基本原理，再具体分析并联l e d 驱动电路的工作原理， 最后针对传统电流控制电路结构的不足，设计了种具有更高亮度控制精度和通 道电流匹配度的并联自光l e d 亮度控制电路。 2 1 白光l 印驱动芯片的功能 白光l i 、d 为手机、p d a 等电子产品的彩屏l c d 提供背光光源。通常这些电 子产品所采用的单节锂电池典型供电电压为3 5 v ，最高电压为4 2 v ，且供电电压 随使用时间不断下降。而白光l e d 存在一个正向导通电压( v f ) ，在2 0 m a 电流 时正向导通电压典型值为3 5 v ，最大值为4 v 。可见，单节锂电池不能直接驱动白 光l e d 。因此，经济、高效的白光l e d 驱动芯片愈显重要。 本节首先介绍白光l e d 发光特性，驱动芯片的设计也是依据这些特性而展开 的。然后分别介绍通常采用的并联、串联等l e d 驱动方式。 2 1 1 白光l e d 的特性 l e d 是由电流驱动的器件，其亮度与流过l e d 正向电流i 。大小线性相关( 如 图2 1 所示”1 ) 。其正向导通压降v 。为3 v 4 v ，典型值为3 3 v 3 6 v 。为保证可 靠性，驱动l e d 的电流必须低于l e d 额定值的要求，典型虽大值一般为3 0 i i i a 。从 图2 2 m 可以看出：当环境温度升高时所允许的额定电流会降低，例如，当温度达 到5 0 时电流需限制在2 0 m a 以内”。 电子科技大学硕士学位论文 lill 卅 一， 1 哼e 磐7 7 甲。a i u 。e爱 一一 l _ u ”峥f 妒 ：_ _ _ 一， 一一 _ 一- 广：笏 r 。 一 沙l 最 图2 1 白光l 叻相对辐射功率与正向电流 、 、 、 1 a m b i e n 幢t e m p e r | t u r et 1 c c l 图2 2 向光l e d 额定电流与环境温度 hk f 7 - 毛。 ，1 _ ， ， 7 1 - 一0 t 。； o 函砖么 黟i ： j ， = = = ： i 图2 3 六只不同l 正d 的正向电流随正向电压变化的关系曲线 正向导通电压v l 叻可以用以描述自光l e d 的工作效率，但并不影响其亮度， 亮度仅由正向导通电流i l e d 决定。对于一定的正向导通电流i l e d ，正向导通压降 v l e d 越大，其消耗功率越多，效率越低。l e d 的这一特性为驱动电路中d c - d c 转换部分提供了进一步优化的空间。l e d 的正向导通电压受生产因素的影响很大， 即便是同一厂家同一批次、同一型号的产品，其v l e d 的差异也在1 0 0 m v 左右。图 2 - 3 “1 给出了六只随机挑选的白光l e d ( 其中三只来自两家顶级产商) 的正向电流 随正向电压的变化关系曲线。这种情况下，如果用固定电压3 4 v 驱动这六只l e d ， 相应的正向电流分布在l o m a 至4 4 m a 范围，差别较大。在很多实际应用中，需 要同时驱动几个l e d 为l c d 提供背光。电流的差别，导致l e d 具有不同光强，产 生不均匀的背光，使l c d 画面亮度交织。另外一个问题是所需的最小供电电压无 6 一e一竺_c|l了o oj一-，_|ok一直一l，o=噶 一是=v娄一耳鼍蕾掌孳譬譬 篼二章高精度并联白光l e d 驱动电路原理与分析 法满足。通常l 叻要求高于3 v 的电压驱动，若低于该电压，几个l 明可能会完全 变暗。1 e d 的这一特点，也是造成并联l e d 各个通路电流不相等的主要因素之一。 这一点在后续：章节将会作进一步说明。 传统的电压控制模式是向l e d 提供恒定电压，通过镇流电阻来控制l 叻上的 电流。根据图2 3 给出的6 个随机白光l e d 的正向电流随正向电压的变化关系曲 线可知，这种方法的稳流能力非常差。只要外加电压或白光l e d 正向电压有任何 变动，白光l e d 的电流都会改变，对l e d 正向电流的控制不精确，这会导致照明 显示器偏离真实的色彩。另外，由于l e d 具有不同的光强，造成不均匀照明。在 高要求的应用中，比如白光l 印为手机或者p d a 等显示屏作背光源时，恒压控制 无法满足要求，需要更为精确的恒流控制。 t =- 2 5c _ _ - 一v 一_ 。一 。_ “ l l 、 、 、 o501 s2 02 53 03 54 04 55 0 f o r w a 嘲c u r r 枷狮诅 毫 蕊 。 毒 兰 = 罨 u 誊 墨 看 = 0 m _ t = = 2 5 c h、“ 、 r + _ _ 土点 1 -i k、 ， 、 姜 _ 一 一_u一lw ，h、 一弋 r 一 1j一 、 、 051 01 5 2 02 s3 0 3 s4 04 55 0 f o l w a f ne i 盯r e i 哇n l a l 图2 4 正向电流对波长的影响图2 5 正向电流对自光l e d 色彩影响 用恒定电流驱动白光l e d 还可以获得色度的一致性。这一点也是由l e d 本身 的特性决定的。因为真正发射白光的l e d 是不存在的，这样的器件制造非常困难。 常规生产的l e d 特点是只发射一个波长。白色并不出现在色彩的光谱上；一种替 代的方法是，利用不同波长合成白色光。因此，在发射蓝光的i n g a n 基料上覆盖 转换材料，这种材料在受到蓝光激励时会发出黄光。于是得到了蓝光和黄光的混 合，在肉眼看来就是白色的。但是采用i n g a n 技术的l e d 波长混杂难以控制。i n g a n l e d 的显示波长( 色彩) 会随着正向电流而改变( 如图2 4 、图2 5 。1 所示) 。从 图2 5 可以看到色彩的变化，x 和y 坐标的移动意味着色彩的改变( 如前所述，白 光l e d 没有明确的波长) 。由于工作电压的变化可以改变正向电流，因此电池放 7 心三l l io=甚苫舻一；兰暑=三凸 电子科技大学硕十学位论文 电引起的上作电压的变化也会改变显示色彩。 由于l e d 的性能限制，因此会有波长与驱动电流精度不易控胄4 等困扰，随着 白光l e d 背光模块应用的需求不断增加，如何改善上述波长与电流精度问题，同 时降低驱动电路的制作成本，成为l e d 驱动芯片设计者必需克服的课题。l e d 驱动 芯片的设计目标是提供一个足够高的输出电压，且在各个l e d 通道上加载同样大 小的电流。综上所述，必须采用恒定电流控制方式来驱动白光l e d 。 2 1 2 白光l 印驱动电路的功能要求 白光l e d 驱动电路是向l e d 供电的特殊电源，根据应用需求驱动串联、并联 或串并联的多个自光l e d ，并提供满足要求的驱动电流。影响背光设计的几个重要 参数是电池工作电压、l e d 正向导通电压和电流等。一般单块锂电池工作电压在 3 6 v 到4 2 v 之问。另一方面，为在白天获得足够背光，白光l e d 在正向电压大约 为3 3 v 时，一般每个需要2 0 m a 电流。通常，白光l 功驱动电路的设计都应考虑 到以下几方面要求： ( 1 ) 般而言，便携式电子产品通常采用充电电池或铿离子电池等低电压供 电方式。因此，绝大多数的驱动电路要求具有升压功能，以便提供稳定并商于l e d j e 向导通电压的供电电压，直到电池中止放电为止。 ( 2 ) 电池的使用寿命是便携式电子产品一个至关重要的性能参数。因此，要 求驱动电路具有较高的能量转换效率，提高电池的使用寿命或延长两次充电之间 的时间间隔。目前较高的效率可达8 0 9 5 ，一般水平可达到6 0 8 0 。 ( 3 ) 通常在手机和键盘背光等实际应用中，需要多个l e d 为同一显示面板提 供背光光源。这种情况下各个i 印亮度应保持一致，以避免产生画面亮度交织、 不均匀等现象。因此，对于这种多个l e d 同时使用的情况，要求各l 叻电流相匹 配，使亮度、色度均匀。这就要求自光l e d 的亮度控制电路不仅具有高的电流控 制精度而且需要各支路之间电流的高度匹配。 ( 4 ) 有许多电子类产品的处理器在系统闲置一段时问后，会自动切断背光电 源，如手机、m p 3 、p d a 等。当l 功处于待机工作状态，要求驱动电路有关闭控制， 在关闭状态时静态电流尽可能小，一般低予1 ”a ，进而降低静态功耗。 ( 5 ) 许多便携式设备l e d 应用都需要进行亮度调节。例如有些l c d 背光等应 用具有亮度及对比度调节功能，p d a 等产品需要调整屏幕亮度以适应周围环境。因 此，i e d 驱动电路应包含调光功能。调光功能的实现方法主要可分为以下两种。模 8 第二章高精度并联白光l e d 驱动电路原理与分析 此，l e d 驱动电路应包含调光功能。调光功能的实现方法主要可分为以下两种。模 拟调光技术通过改变模拟电压信号的大小来控制流过l 功的电流，进而改变其亮 度，但这种方法会造成l e d 色移。第二种是脉宽调光( p w m ) 技术，通过改变外加 数字信号的占空比来控制l e d 亮度。p 删信号频率通常会超过1 0 0 h z ，以确保这个 脉冲电流不会被眼睛察觉。 ( 6 ) 针对使用的实际情况和环境，驱动器应集成一些保护电路，以保证芯片 的正常工作。如在出现开路故障的情况下，恒定电流的白光l e d 驱动器需要过电 压保护。因为如果驱动器和l e d 连接部分出现开路故障，驱动器为了提供恒定电 流，都会增加它的输出电压，此时着无保护电路，输出电压很快就会丹高，对芯 片或输出电容造成损害。因此在恒流模式中需要采用过压保护功能，以保证在上 述情况下关断电源、降低功耗并延长电池使用寿命。除此以外，驱动器还应包括 如软启动功能、低压锁存、过热保护和短路保护等。这种紧凑、高度集成的电路 也是当今自光l e d 驱动芯片的发展方向。 ( 7 ) 小尺寸是便携式设备的一个重要特性。缩小驱动电路尺寸，可以降低芯 片成本。此外，减少外围器件，使其占用更小的印制板面积，更能满足便携式电 子产品越来越小的外形要求。 ( 8 ) 除了上述几个方面以外，还要求白光l e d 驱动芯片使用方便、价格便宜、 对其他电路干扰小，如尽量减少引入的电磁干扰等。 2 2 白光l 印驱动电路的分类 通常将白光l e d 驱动器分为三类。第一类是直接与电池连接的方式。将l e d 直接接至电池，由于没有驱动电路部分的耗能，系统的整体效率比较高。但由于 各个l e d 正向导通压降偏差较大，电流匹配度低。当然，这也是未来l e d 研制方 向之一，若能降低l e d 正向导通电压，采用电池直接供电是最节约能源的方法。 第二类是电荷泵升压式并联白光l e d 驱动器”。采用电容器完成升压转换，可以提 供较大的通道电流，但由于升压倍数多为固定值，功率转换效率相对较低。第三 类是开关升压式串联自光l e d 驱动器。这种方法有较高的电流匹配度，且由于几 个l e d 仅串联一个镇流电阻，控制电路消耗的功率少而具有高效率。但多数情况 由电感完成升压转换，电路电磁干扰较严重。同时，对于半导体集成电路来说， 能够提供的高电压十分有限。 过去认为有电感的升压式d c d c 转换器可输出较大的电流。但近年来，电荷 9 电子科技大学硕士学位论文 泵式驱动器可输出的电流已从几百毫安上升到1 2 安培，并且两者在转换效率上 也不相上下，因此，目前这两种类型驱动器的产量也相差不多。 除上述主要的三种方法以外，采用l d 0 ( l o w d r o p o u t ) 式驱动器是极少的“， 但它无须外围元件且价位较低。其缺点是转换效率略低，并且电池往往不能用到 终止放电电压就要充电。这种驱动器主要用于一节锂离子电池的场合，并需配合 使用正向导通压降较低的白光l e d 。 2 2 1 直接与电池连接的简单驱动方式 如果供电系统能够提供高于二极管正向导通电压的电平，白光l e d 可以很容 易的被驱动。例如，有些数码照相机通常包括一个+ 5 v 供电电源，供电电压足以驱 动一个正向导通压降在3 v 左右的l e d ，不需要升压功能电路。这也是成本最低的 解决方案，如图2 6 所示，它将白光l e d 串联一个镇流电阻( r b ) ，再于电路的 两端加上恒压源。因为没有驱动和控制电路部分的能量消耗，这种将l e d 直接并 行连接到电池的效率很高。 图2 6l e d 直接并行接至屯池驱动方式 但这种方法有其明显的缺点。观察前述图2 2 白光l e d 的非线性v - i 曲线， 可知l e d 是由电流驱动的器件，其亮度仅由正向导通电流i 。决定。如图2 6 所示， l ，l ， ，。= 之 二，而l e d 的正向导通电压v ，受生产因素的影响很大，即便是同一厂 k | e | 家同一批次、同一型号的产品，其差异也在1 0 0 m v 左右。只要外加电压或自光l 叻 的正向电压v f 有任何变动，白光l e d 的电流都会改变，导致不均匀照明，显示器 偏离真实的色彩。此外，镇流电阻会限制通过的电流，也让这种方法的稳流能力 非常差，无法满足亮度控制要求。更为重要的是绝大数电池会随着放电时间增加， 输出电压波动很大，直至使电压低于l e d 所需要的最小正向导通电压而无法为l e d 供电，因此直接用电池驱动l e d 是很困难的。 1 0 第二章高精度并联白光l e d 驱动电路原理与分析 2 2 2 带有电流控制的开关升压式串联l 印驱动电路 l e d 驱动电路也可采用基于电感器的开关升压转换器驱动串联而不是并联的 白光l e d ，如图2 7 ”1 ，它是通过产生足够高的电压以得到期望输出电流来实现这点 的。因为l e d 按照串联方式连接，任何工作条件下，都保证了所有l e d 上的电流 的一致性，能够使l e d 的亮度保持一致。电流大小精度取决于反馈控制的精度， 不受l e d 正向导通电压变化的影响；此外，几个l e d 仅需串联一个镇流电阻( 或 电流调节器) ，消耗的功率少、效率高；调节器与l e d 之间只需要一至两个连接端 点，简化了连接方式，为用户的设计提供了一定的灵活性。升压转换器效率一般 高于固定模式电荷泵方式。如美国美信公司生产的m a x l 8 4 8 和m a x l 5 6 1 是这种电 流调节电路的两个典型范例，转换效率( p 。p 。) 可以达到8 7 ( 3 只串联) 或 8 4 ( 6 只串联) 。但是，要保证几个串联l e d 正常工作，提供的电压必须足够高。 在集成的路工艺中，一般都有最高电压的工艺限制，而且高压器件本身就是对设 计和制造的一种挑战。由于开关频率随输出电压变化，所以通常需要增加屏蔽以 避免寄生噪声耦合到接收器中。相比陶瓷电容器，电感器更大且更贵，因此升压 转换器的电路板面积和成本要求一般也比电荷泵系统高。 图2 7 串联驱动模式结构 当驱动n 个串联的自光l e d 时( 设l e d 上压降为v f ) ，需要的输出功率。 为： p 帅。= v f i 系统转换效率为： ( 2 1 ) ( 2 2 ) 一去i n 净 率溆 电子科技大学硕士学位论文 其中：p 。是在d c d c 升压转换器消耗的功率，p 。是在d c d c 升压转换方式 中应用的肖特基二极管上消耗的功率。 对比串联、并联两种驱动方式数据可知：采用串联方式比电荷泵并联驱动方 式效率高出1 5 2 5 ，具体数据与输入电压有关1 。但是如果在电路中采用