背光LED驅動系統的設計與應用分析
日期:2019-04-28 瀏覽

  采用系統級方法為小型LCD中的LED背光供電是值得的。

跑跑卡丁车手游l1驾照第一关(LED)技術廣泛用于為小尺寸液晶顯示器中的像素提供照明( LCDs)在電池供電的應用中。由LED發出的白光通過偏振器傳輸到跑跑卡丁车手游l1驾照第一关,在那里可以阻擋或衰減光,并將其發送到RGB濾色器以產生彩色光。

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圖1:跑跑卡丁车手游l1驾照第一关驅動系統。圖1顯示了背光LED驅動器的系統級視圖,該驅動器由DC/DC轉換器和一個或多個調節電流源組成。此外,基于RGB-LED的背光需要基于溫度的反饋控制,這相當于比基于白光LED的背光更高的成本??梢允褂枚嗌貾CB面積?需要什么功能?系統消耗多少電量?回答這些問題可以指導設計人員選擇合適的背光LED驅動器。

用于LED背光的DC/DC轉換器

在具有單節鋰離子源的便攜式應用中,電壓降的總和白色,綠色或藍色LED和電流源可以低于或高于電池電壓。這意味著,雖然紅色LED可以直接由單節鋰離子電池供電,但白色,藍色或綠色LED需要電池電壓有時會提升。

選擇一個時要考慮的第一個方面用于電池供電應用的跑跑卡丁车手游l1驾照第一关是IC驅動器與外部組件共占的總面積(圖2)。

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圖2:典型PCB布局示例:電荷泵(左),電感升壓(右)。

兩種升壓技術被廣泛使用:升壓DC/DC轉換器,也稱為感應升壓,以及開關電容轉換器,也稱為電荷泵。電荷泵實現僅需要四個陶瓷電容器和一個低功率電阻器,這通?;岬賈賂〉慕餼齜槳賦嘰?。推薦用于這些應用的電容值為0.47μF至1μF,額定電壓為10V(有助于直流偏置損耗)。這些電容器可以在許多電容器制造商的0402或0603外殼尺寸中找到。總溶液尺寸小于21mm 2 是相當普遍的,并且還具有非常薄,小于1mm的優點。根據LED驅動器封裝,電容器可以是解決方案中最高的元件與開關電容驅動器相比,基于電感升壓的LED驅動器往往具有更大的解決方案尺寸?;詰綹猩溝腖ED驅動器的典型解決方案尺寸接近板面積的30mm 2 。電感式驅動器通常需要兩個電容,一個在輸入端,另一個在輸出端,電容值為1μF至2.2μF,可提供0603和0805外殼尺寸。電感升壓需要一個可以處理峰值電感電流和輸出電壓的整流元件。在同步升壓中,可以將通過PFET集成到IC中。但是,這種集成通?;岬賈翴C封裝的大小超過異步解決方案。在集成的高壓PFET或肖特基二極管的存在下,功率轉換效率也降低約10%。在異步拓撲中,傳遞元件由肖特基二極管組成。與開關電容器升壓相比,電感升壓的主要區域增加是電感器本身。具有6-8個LED的電流為15mA至20mA的應用通常需要一個10μF至22μH的電感器,飽和電流在0.4A至0.5A之間。這些電感器可以在小于3.0mm x 3.0mm的占地面積中找到。電感器也是解決方案中最高的元件,高度范圍為0.8mm至1.2mm。

提高電池電壓的最簡單方法是使用升壓型DC/DC轉換器(圖3)。該方法的優點在于在所有負載和輸入電壓條件下具有非常高的效率,因為輸入電壓可以升高到LED正向電壓和電流源凈空電壓的總和。如前所述,這顯著優化了成本和PCB面積的效率。

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圖3顯示了磁性升壓調節器的工作原理。當NFET開關閉合時(實線箭頭),電感器電流iL(t)從t = t0處的最小值Ia向上斜升至t = t1處的最大值Ib。在此期間,肖特基二極管反向偏置,負載由存儲在輸出電容器中的能量支持。

在t = t1時,NFET開關關閉,存儲在電感器L中的能量現在傳遞到輸出電容器和通過肖特基二極管的負載(虛線箭頭)。因此,電感器電流在時間t2期間下降到先前的Ia值。輸出電壓必須大于輸入:如果此電壓關系不正確,則電感不會放電到輸出網絡?;瘓浠八?,當NFET截止時,電感器兩端的電壓反轉,因為電流放電不會立即發生。由反向磁電壓增加的輸入電壓導致輸出電壓高于輸入電壓。當串聯驅動10個LED時,所需的電源電壓可高達35V。升壓拓撲結構的另一個優點是簡化了PCB布線:驅動器和LED串之間只需要兩個連接。第二種提高電池電壓的方法是使用電荷泵(其簡單實現如下所示)圖4),它利用了電容器的以下特性:電容器電荷累積不會瞬間發生,這意味著電容器兩端的初始電壓變化等于零。

圖3:LM3509,電感升壓LED驅動器。

電壓轉換分兩個階段完成。在第一階段期間,開關S1,S2和S3閉合,而開關S4-S8斷開。因此C1和C2堆疊,假設C1等于C2,充電到輸入電壓的一半:

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輸出負載電流由輸出電容提供。當該電容器放電并且輸出電壓低于所需的輸出電壓時,第二相被激活,以便將輸出電壓升高到該值以上。在第二階段期間,C1和C2并聯,連接在VIN和VOUT之間??豐4-S7閉合,而開關S1-S3和S8斷開。由于電容上的電壓降不會瞬間改變,輸出電壓會跳躍到輸入電壓值的1.5倍:

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圖4:充電具有1x和1.5x增益的泵電路以這種方式,完成升壓操作??匭藕諾惱伎氈韌ǔN?0%,因為該值通?;岵羆訓牡綰勺菩?。

通過閉合開關S8并使開關S1-S7斷開,可實現增益為1倍的電壓轉換。電荷泵方法的好處是沒有電感器。電感是EMI噪聲的,會影響顯示器或手機中的無線電性能。

電荷泵中的輸入功率和LED效率

在電荷泵LED驅動器中,輸出功率關系如此用于效率計算,假設所有LED都相同,由下式給出:

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圖5顯示了典型的效率圖,其中步驟指示了增益轉換。

但是,對于給定的LED電流,正向電壓可隨工藝和溫度而變化。這意味著LED的效率可以變化,仍然保持亮度恒定,因為后者僅取決于電流。為了清楚起見,讓我們考慮一個基于自適應電荷泵的LED驅動電路。以下規格:

圖5:電荷泵LED效率。

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不會影響電池的功耗,但會影響驅動電路的功耗。因此,效率不足以評估功耗:必須考慮的是輸入功率與LED亮度,即LED電流。對于給定的LED亮度,輸入功率是衡量從電池中排出多少電子的真實指標。

在以前的條件下,增益為1.5倍,無論VLED如何,輸入功率都等于333mW。

由于電荷泵轉換器具有有限數量的電壓增益,因此基于應用規范,總是存在驅動器電路中的一定量的浪費功率。因此,為了使輸入功率最小化,以盡可能小的增益操作電荷泵是非常重要的。

恒流LED驅動器

LED特性決定了達到所需水平所需的正向電壓電流,決定發光量。由于LED電壓與電流特性的變化,僅控制LED兩端的電壓會導致光輸出的變化。因此,大多數LED驅動器都使用電流調節。

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圖6:調節電流源。

實現電流調節的電路是低壓差穩壓器,如圖6所示。誤差放大器獲取R2,V2兩端的電壓,將其與參考電壓VREF進行比較,并通過串聯傳輸元件NFET將LED電流IDX調整為驅動誤差信號所需的值(VERR = VREF-V2)盡可能接近零。 VREF等于:

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只有當VOUT-VLED足夠高以保持傳輸元件不飽和時,才成立。事實上,電流源需要跨越它們的最小電壓,稱為凈空電壓VHR,以便通過LED提供所需的調節電流。凈空電壓通常用電阻建模:

亮度可以通過改變LED電流(模擬控制)直接控制,也可以通過快速關閉LED來間接控制亮度來創建對人眼調光的感知(PWM控制)。在大多數便攜式應用中,模擬亮度控制是優選的,因為背光控制器通常遠離LED驅動器。因此,必須將帶有PWM信號的PCB走線靠近噪聲敏感系統(如無線電發射器,揚聲器或顯示器),這可能會導致問題。最后,在需要優質色域的應用中,紅色,綠色和藍色使用LED。紅色LED由InGaAlP制成,而藍色和綠色均由InGaN制成。當環境溫度變化時,與藍色和綠色相比,紅色的主波長發生顯著變化,因此需要某種溫度補償反饋環路。 LP5520(圖7)通過使用內部校準存儲器調整RGB LED電流以獲得完美的白平衡(色彩精度ΔX和ΔY《0.003),內存校準存儲器存儲LED的強度與溫度數據,以及外部溫度傳感器。

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圖7:LP5520,背光RGB LED驅動器。

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