手机与PDA应用LED照明驱动电路和实现

1、手机与PDA应用LED照明驱动电路的设计和实现因为具备高照明效率、长效性与小体积， led 已成为便携式设 备，如移动电话与PDA等的必然选择，约0.1W的低功耗白光LED目 前正广泛应用在LCD显示面板的背光与键盘照明上，当然也可通过 连接多颗LED带来较高的亮度作为临时照明或闪光灯等应用，而可 达1W勺高功率LED则应用在配备两百万像素，甚至更高分辨率的拍 照手机中来支持黑暗环境中的拍照功能。除白光 LED外，RGB红、 绿、蓝）光LED也经常被用来强化移动电话的质感，通过三种色彩 精确适当地混和，RGB LED创造出丰富多样的色彩。在指示应用上，当有来电或信息时可以让彩色 LED闪烁，或

2、利 用色彩来显示发话者的身份，例如自行定义的群组，如朋友、家人 或业务往来的来电，这项功能不仅为移动电话带来个性化，同时在 非常吵杂的环境中也相当有用。为进一步强化使用者的影音感受， RGB LEDfe同时用来产生许多吸引人的发光效果，其中一个例子是 将RGB勺发光动作与响铃的旋律或 MP3音乐加以同步，另外一个 RGB发光的有趣应用则是日本松下公司的"FeEL Talk"功能，因为 RGB LED安排在移动电话的机壳下方，因此可以依使用者的心情 显示不同的色彩 主要白光LED供应商目前广泛应用在可携式设备LCD与键盘背光的白光LED,是由日 商日亚 Nichia ）化学公

3、司于 1996年推出，透过以淡黄色萤光物质 涂布在氮化镓GaN与铟氮化镓vlnGaN材质的蓝光LED上来达成 白光的效果。另外，蓝光与绿光 LED的发展则扩展了 LED色彩输出 的丰富度。然而，在上世纪 90 年代末期，日本、美国与欧洲等地主要 LED 制造商间的多重专利侵权问题阻碍了新制造商进入这个市场的可能 性。但幸运地是，这些法律诉讼逐渐透过相互授权协商获得解决， 部分制造商如 Nichia 、ToyodaGosei、 Cree、PhilipsLumileds 与 OSRA等更在当时确立了其领先地位。除此之外，数年前台湾与南 韩两地的新进厂商开始崛起，并在过去 2 年逐渐尝到了营业额高度

4、 增长的成果。LED效能大幅提升在大量资金投注LED开发后，白光LED的照明效率比起刚发明 时有了大幅度的改善，目前市场上最佳的白光LED照明效率可以达到100lm/W,相当接近日光灯管，而一些领先公司也尝试在蓝光LED上使用不同的涂敷物质，并推出更佳发光效率的设计方案，因此提 供面板背光所需的LED数目将持续下滑，目前移动电话上标准 LCD 面板所需的背光LED大约为24颗，而PDA或智能型手机上LCD面 板的背光则需要610颗。在进一步讨论LED背光与闪光灯的驱动电 路结构与新功能前，先回顾一下移动电话与PDA中广泛使用的LED以及电池的电气特性。依不同制造商所采用技术的差异，LED的正向

5、电压Vf）大约在 2.74V之间，通常高功率LED拥有高达4.9V的较高正向电压，因 此LED驱动电路就必须提供足够的正电压以便让 LED以正向偏压的 方式发光。当米用多颗LED来提供背光时，在驱动电路设计上应考 虑正向电压间的差距，为了得到相同的照明强度，也就是让不同的 LED发出相同的色彩，设计项目师必须确保流经每颗 LED的正向电 流能够相同，低功率LED通常采用20mA勺正向电流，最大约为 25mA,目前市场上的高功率LED则能以高达1.5A的脉冲电流来驱 动。目前手机与PDA中最常见的电池型式为锂离子或锂高分子可充 电电池，采用锂材料的可充电电池标准电压在 3.6V 到 3.7V,

6、工作电 压则为4.2V到3.2V,为了确保能够安全运作，这类型的锂材料电池 只能够在1C的范围内充电或放电，其中 C为电池的规格容量，例如 1,000安培小时vmAh的电池最高放电电流为1A,手机通常使用的电 池容量大约在650mA倒1000mAh之间。采用不同阴极材料的新型态 锂离子电池已经进行开发以便改善电池的效能，在使用这类电池组 时，设计项目师应该要遵守电气规格上的限制并随之调整驱动电 路。现在就让我们进一步研究LED在 LCD背光、装饰光源与相机闪 光灯中的应用。LCD背光在使用最高前向电压为3.4V到4V的LED时，由电池提供的输 入电压必须相等或高于所需的驱动电压，因此需要一个具

7、有稳定电 流功能的升压式转换器来推动以串联或并联方式连接的LED.充电泵/切换式电容转换器充电泵转换器目前广泛使用在LCD的背光驱动上，与采用电感式的升压式转换解决方案比较，充电泵驱 动电路因为具备较低的成本、较薄的厚度以及较低的杂讯特性而成 为较佳的选择，新推出的积体电路设计已经逐渐改善充电泵驱动电 路的效率，目前最高效率可超过 93%,平均则大约在80%.渐进式亮度变化与情境式照明渐进式亮度变化主要应用在可携 式设备启动或关机时以创造剧场式的照明效果，在启动时，背光电 流会依照预先设定的时间间隔以步阶方式逐步放大到20mA同样地，在关机时则采用相反的动作逐步降低，透过微处理器的帮助， 可利

8、用将具备不同频率的PWNH号送到LED驱动电路的启动接脚来 实现这种效果，以特定时间间隔将 LED电流用多重步阶的方式加大 或降低，不过这个方法却有耗费即时处理器资源的缺点，因此在如 NCP5602与 NCP5612等 LED驱动晶片产品上就将这个功能内建在晶 片中 图1）。C3GhlD |HH12109&220rir;10V 22OfiFnOVC1N C1PC2N C2PC5 C3ipFffi.SVSCLSDA NCP56O2bCSDAIREFGND|：C-SCLLLD1CON01C4 GNP7 ipF/icrvLWYS7SGLVYB7SGpn7CCGNDGNDR110kLlMCdL

9、Mr总佥图1:典型的2颗LED式充电泵驱动器应用这些驱动晶片需要两个飞驰电容、输出与输入电容以及一个用 来控制最高输出电流的电阻R1，渐进式亮度变化控制指令则由处 理器透过I2C连接埠或输出入接脚送到驱动晶片，指令本身应该包 含起始与最终电流大小以及亮度变化的时间间隔。当应用在RGB LEDt时，这样的功能就能用来产生情境式的照 明效果，藉由每个RGB LED各自拥有的32个明暗步阶，像NCP5623 这类的LED驱动晶片就可达到32,768种色彩变化，透过这种明暗步 阶以及内建的对数演算法，可创造出对眼睛来说相当平顺且线性化 的色彩变化，RGBLE驱动电路包含用来调整3颗LED输出电流的独

10、立控制PWMfe流源，以产生所需的色彩输出 见图2）。SCI9SCL2C6SA&LED?5CLR*I£D1KffGJDK,GD iiraosi图2:具备I2C控制介面的典型RGB LESE动晶片应用因为每个电流输出的时序与电流大小都可以独立控制调整，因 此能使用白光或带有色彩的LED来表现不同发光模式得到装饰或指 示用途的输出，部分具备音讯输入的电路还能让彩色LED搭配内部MP3或和弦铃声的不同频带同步动作。ICON模式您是否曾经尝试在黑暗的环境中观看手机的时间，这 时明亮背光与黑暗环境间的强烈对比对眼睛来说相当不舒服，这也 是为何会有''''

11、ICON 模式''''设计，可在待机模式下以微小的电流 点亮外部LCD面板来显示时间或特别定义的影像，不过如果这必须 透过PWMI暗控制来达成，那么处理器就心须在整个待机模式下产 生一个连续的低频PWMK号，在NCP560冲，这个功能采用硬体方 式实现，并能透过如表1中的数位指令启动。&7B4B2B18CRFU尿沁IRE"护 4mEF-14-2iREne表1： NCP5602勺I2C内部暂存器位元安排由处理器送到驱动晶片资料位元组中的 B5代表了 ICON模式 的状态，当B5为LOW寸，表示使用的是正常背光模式，每个 LED的 电流可以在OmA

12、到最大30mA间调整，当B5为HIGH时，就会启动 ICON模式，且只会将450卩A的电流送到所连接两颗LED之一，在 这个元件中ICON模式的电流值为固定值，但在类似元件 NCP5612 上，这个电流则可透过单线式通讯协议来控制，图3显示了通过I2C通讯协议中SCL与 SDA连接线的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 *审 . A .MBLi. 一丄.4dJftltililLliLli

13、iJiLtlljI时MVgME 口讹图3: ICON模式控制时的简单SCL与SDA连接线上的资料顺序线性稳压器/电流源方案在使用具备约3.3V较低前向电压的丛 集式LED时，可选择线性稳压器来提供驱动电流。与切换式转换器 比较，线性稳压器具备较低成本及较低的电磁干扰，因为线性稳压 器只需在驱动晶片的周边加入几颗电阻，同时无需使用切换式元 件，但这类解决方案的缺点是较窄的有效电池电压运作范围，图4显示了使用NUD430低压降线性稳压器做为两颗 LED驱动电路的情 况，依标准0.2V压降以及3.3V的LED前向电压考虑，稳压器将在 电池电压低于3.5V时离开稳压模式并进入饱和模式，这将造成稳压 器

14、输出电流大幅下滑同时LED亮度开始变暗，不过如果最低电池电 压是在可接受的范围，那么线性稳压器还是小型LCD面板最具成本效益的背光解决方案。Rsensei图4:采用线性稳压器NUD430做为推动小型LCD面板背光的两颗LED马驱动电路行动照明应用临时照明手机所提供的LED照明功能普遍被认为是相当精妙的 设计，这可以由许多手电筒现在都由数颗低功率LED组成，并透过20mA到60mA较低电流推动的趋势看出，这类照明可做为可携式手 电筒，但它微弱的照明强度对支援黑暗环境下的摄影不足够，事实 上必须要有一个或更多的高功率 LED才能支援1公尺或更远的拍摄 照明，阻碍项目师加入高功率 LED的主要原因还

15、是成本，目前量产 的高功率LED主要仰赖全球5大制造商供应，不过在台湾与韩国制 造商的功率LED产能逐渐开出后，预料单价将开始下滑，同时驱动 电路的成本也会随量产而下降。单颗高功率闪光灯驱动电路升压式转换器是支援高功率LED中最高达4.9V前向电压的必备条件，但就算是相同的LED晶片，前向电压在不同条件下也会有所不同，当 LED温度上升时，前向电压可 能会滑落到低于输入电池电压，因此就需要降压式转换器，技术上 来说，升降压转换器是推动单颗高功率 LED的最佳方案，不过这类 驱动晶片通常成本较高，同时也需搭配会提高成本与体积的外部电 感。升降压转换器的优点则在于较高的整体效率，主要原因是完全 使

16、用了电池的能量，同时能够提供超过 1A甚至更高的超高输出电 流，新推出的高电流充电泵驱动电路是升降压转换器的一种低成本 替代方案，不过充电泵转换器的输出电流最高大约在700mA主要还是受到较低效率以及能够由电池所提取的最大电流限制。整合型照明管理晶片具备背光与闪光功能，部分甚至还具备RGB与其他影音功能的整合型照明管理晶片（LMIC目前已出现在市 场上，它包含了可能采用充电泵或电感式设计的升压转换器，每个 输出则由可调式电流源提供，这种方案在掀盖式或滑盖式手机中特 别有用，原因是它免除了由电源管理单元拉到电话另一面所需的长 路径。NCP5608是一个可以提供整体高达500mAt流，配备8个输

17、出的整合型充电泵驱动晶片，它的输出电流可以由处理器透过 I2C 连接埠来加以调整，同时也能够组成不同的 LED组态来满足各种平 台的需求，请参考图 5。ownLED1 ILD2LED3LED4 LEDS LEOBLED 了LED8LFD1 LFD2LED3LED4 LEOSLED6LLD7 LED日：?-rt ' O tVQJ-IED1 LED2 LED3 LED LED5 IFD6 LED?LED8目前移动电话与PDA中最常见的电池为锂离子或者锂高分子可 充电电池，采用锂材料的可充电电池额定电压范围是3.6V3.7V,工作电压则为4.2V3.2V,为确保能够安全工作，这类型的锂电池只

18、能 够在1C的范围内充电或放电，这里 C由电池的额定容量所决定，例 如1,000mAh的电池最高放电电流为1A,移动电话通常使用的电池容 量大约在6501,000mAh之间。为改善电池的效能，采用不同阴极材 料的新型锂离子电池已开始开发。在使用这类电池组时，设计项目 师应该遵守电气规格限制并据此调整驱动电路。在使用最高正向电压为3.4V4V的LED时，由电池提供的输入 电压必须等于或高于所需的驱动电压，因此需要一个具有稳定电流 功能的升压式转换器来推动以串联或并联方式连接的LED.电荷泵转换器目前广泛使用在 LCD的背光驱动上，与采用电感式的升压式转换解决方案比较，电荷泵驱动电路因为具备较低的成本、较薄的厚度以及较低的噪声特性而成为较佳的选择，新推出的 集成电路设计已经逐渐改善电荷泵驱动电路的效率，目前最高效率 可超过93%而平均效率则约为80%.电荷泵驱动电路通常采1x与2x 模式运作，部分设备中则加入了 1.33X与1.5x模式来改善效率，在 这类解决方案中，LED采用并联方式连接，同时每个LED的电流由 各自独立的匹配电流源提供，最佳的驱动芯片