背光驱动电路的选择与应用精品

1、背光驱动电路的选择策略和应用2006-05文/启攀微电子（上海）有限公司越来越多的便携式消费电子产品配备了彩色显示屏，例如手 机、数码相机、PDA、MP3、PMP播放器等，其中手机又占据了 这个市场的绝大部分份额，从而导致了这两年来中小尺寸显示屏 产业链的飞速发展。根据应用的不同，显示屏会有不同的种类， 例如TFT-LCD、CSTN-LCD以及OLED显示屏，从市场的应用看， OLED显示屏只是在折叠式手机的副屏以及 MP3的市场上占有一 定的份额，而市场的主流依然是TFT和CSTN,这两种类型的LCD 屏占据了现有的中小尺寸显示屏出货量的绝大部分。本文重点就 中小尺寸的LCD显示屏的背光驱动

2、解决方案作一个分析介绍。背光驱动的技术分析LCD显示屏自身并不发光，需要一定的白光背光源。在中小尺 寸LCD显示屏中，一般采用白光LED作为显示屏的背光源。白 光LED背光源由数个白光LED组成，如手机、数码相机一般仅需要2到3个白光LED，而PDA和PMP则根据其显示屏的面积, 可能需要3到6个LED。对背光驱动电路的要求是：满足背光的 亮度要求、整个显示屏亮度均匀、亮度可以方便地调节、驱动电 路占PCB空间要小、工作效率高、综合成本低、对系统其他模块 干扰小。根据应用场合不同，系统设计者关注的重点可能会有所差别， 例如对于低成本的产品方案中，可能会把整个驱动电路的成本放 在第一位，对于手机

3、的应用中，白光驱动电路对其他模块是否会 产生EMI干扰则是要重点考虑的因素，而在 MP3应用中，又有可 能对EMI干扰不太关心。白光LED驱动器基本上有两种驱动方式：一种是采用电感升压 式DC/DC升压变换的原理来驱动，所有的 LED串联接在一起， 一般也叫做串联型驱动方式；另一种是采用升压式电荷泵驱动电 路，所产生的电压一般在5V/4.5V或者是根据LED的正向导通电 压而自定的一个电压，所有的LED并联在一起，一般也叫做并联 型驱动方式。串联驱动电路从技术发展的角度看，串联型驱动出现的比较早，技术上也比较成熟。以启攀微电子的CP2126为例，典型的串联型驱动电路如 图一所示：一般而言，采用

4、串联方式使流过每一个 LED的电流都一样，则 发光的均匀性好；同时由于其升压原理，所产生的电压依赖于LED 导通指定电流时所需要的电压，反馈电压 CS内部设定为95mV， 可以计算出当需要15mA的LED电流时，R1的值应该为：R1 = 95mV/15mA=6.3ohm无论是驱动2个LED还是多达5个LED，都可以通过改变 R1 的电阻值可以灵活的设定LED的亮度，在SHDN引脚施加一定占 空比的PWM控制信号，可以使LED的亮度从不亮到满亮度之间 无级可变。在CP2126的设计中注意两个问题：1、避免了 EMI的干扰问题CP2126避免了一般的串联型LED驱动电路中电感和大电流开 关所产生的

5、EMI干扰问题，对于例如MP3 PMP之类的应用场合， 这个问题可能影响不大，但是在手机应用中，EMI干扰会造成手机的接收灵敏度变差。CP2126通过优化了内部电路的设计，避免 了这个问题。表一对比了两款串联驱动芯片在相同的应用情况下，对手机接收灵敏度的影响。可以看到，CP2126的工作与否对手机接收灵敏度的指标几乎没 有影响，而芯片X在工作时，由于EMI的干扰造成了手机接收灵 敏度的下降。同时，CP2126在输入3.6V驱动3个白光LED的典 型应用情况下，可以达到83%的转换效率。PCB设计也会对电路性能有比较大的影响。一般而言高频部分 的走线应该尽可能的短而粗，对地的过孔尽可能的大而多，

6、在 CP2126的相关资料中对此都有比较详细的说明。2、内置输出开路保护电路在应用中，有可能出现LED的开路故障情况，在这种情况下， 由于CS引脚的反馈电压始终为0,如果没有保护电路，这种升压 型的电路就会一直升压直到内部的开关管被击穿而损坏。所以， 没有内置开路保护电路的芯片会要求外部增加一个Zener二极管，利用它的击穿来保护内部的开关管。保护电路如下：显而易见，这样的保护电路又增加了系统的成本和 PCB板的面 积。另一种保护方式是增加一个引脚，采用如SOT23- 6L的封装，对VOUT的电压采样并进行检测。CP2126的设计可以保证外围应用电路无须做任何改动，在 LED开路的情况下芯片依

7、然不被损 坏，当故障状态解除后，芯片又可以正常工作。虽然串联驱动电路具备了效率高的优点，但是整体的解决方案 需要一个电感和一个肖特基二极管，这又额外的增加了系统成 本，使得最终的综合成本和并联相比，并不一定有优势。同时， 贴片电感的体积较大，一般有5.2mm5.2mm大小，同时还有可能 产生EMI干扰。并联驱动电路1固定模式并联驱动电路早期的并联驱动电路只是解决了 LED所需要的电压问题，它把 电池电压统一通过电荷泵的方式升压到 5V或者4.5V的这样一个 固定的电压，然后每一个LED通过串联一定的电阻阻值来控制 LED的电流。电荷泵电路的一个基本缺点在于，在给定的输出电压要求情况 下，随着输

8、入电压的变化，转换效率变化很大，理论上，两倍电 荷泵电路所能达到的最高效率为：Eff=VOUT/(2 VIN) %例如，当VIN=3.1V , V0UT=5V时，效率可以达到83.3%，由于内部器件的损耗，一般也可以达到 80 %以上。但是，当VIN=4.2V, VOUT=5V时，理论效率最高就只有59.5%。从图中可以看到，CP2128外围元件只需要三个电容，根据驱动 LED灯的数目的不同，需要1到5个电阻，和串联驱动电路相比， 虽然具有效率不高的缺点，但是外围元件的成本和所占PCB面积都比较小，还可以说是相当低成本的一个解决方案。混和模式并联驱动电路为了能够和串联驱动相抗衡，并联驱动电路要

9、重点解决两个问 题：一个是效率，一个是电流匹配。为了提高效率，非常有必要 引入新的工作模式。在这种情况下，驱动电路所产生的输出电压 不再是一个固定值，而是一个适当的并且可以驱动LED的电压值。一般来说，白光LED在工作电流为20mA时，正向导通电压 一般在3.13.5V左右。锂电池的额定电压为 3.6V或3.7V，充满 电后的电压一般在4.2V4.3V，锂离子电池允许深度放电到 2.7V，但是在实际应用中，一般手机设置的强制关机电压为3.6V左右（不同整机厂商设定的强制关机电压可能不同）。在电池充 满电后，这个电压足以直接驱动 LED，在这种情况下，电荷泵电 路不工作，电池的电压通过一个开关直

10、接到VOUT然后驱动LED。而随着电池的放电，电池电压会逐步降低，当降低到一定 的程度不足以直接驱动LED时，电荷泵电路开始工作。所以集成 多种驱动模式成为背光驱动的主流解决方案，即所谓集成1倍模式和1.5倍模式，并且在尽可能的情况下，让电路工作在 1倍的直 通模式下。启攀微电子新推出的 CP2130/1/3,很好的解决了这两 个问题。其中CP2130可以最多驱动5个LED，CP2131可以最多 驱动3个LED，CP2133可以最多驱动4个LED。同样，对于系统应用而言，最关心的指标仍是效率和LED电流匹配度。所谓效率，尽可能的工作在 1倍模式能够显著提高整个 电池工作电压范围的电源转换效率。

11、1、效率对于关注的效率问题，CP2130/1/3实现了两种工作模式自动适 应动态切换（即根据电池电压和 LED实际导通压降判断），而不 是固定电压点切换（即只考虑电池电压），从而显著提高了效率。 只要电池电压比LED的工作电压高350mV至550mV （根据EN1 和EN2的引脚设定不同而不同）时，CP2130/1/3就可以工作在相 对效率较高的一倍模式下。图五：CP2130/1/3的工作效率图图示为典型应用情况下 CP2130/1/3的工作效率。可以看到效率 根据工作模式的不同，是一个两段的折线图，80%的电池能量在3.6V4.1V之间，在这个电压范围内可以获得平均 80%以上的工 作效率。

12、2、电流匹配度和串联驱动相比，并联驱动要解决的一个重要问题就是各个LED间的电流匹配，由于LED的发光亮度是和它的工作电流相关 的，不一样的电流会导致显示屏的亮度不均匀。对于并联驱动的 LED，在实际应用中，LED由于批次的不同和个体差异，在同样 工作电流情况下的正向导通压降不同，可能会有50mV 200mV左右的电压差值，这要求在设计内部的电流控制电路时需要考虑 到这个差异。CP2130/1/3采用申请了国家专利保护的 Auto-Mirror 技术，可以使得各并联白光 LED电流匹配度几乎不随白光LED 导通压降的差别而变化。即使导通压降差在50mV 200mV之间, LED的电流匹配度仍然

13、可以达到2%以内。3、支持PWM调光目前调光方式主要有两种，一种是通过改变LED的直流工作电 流的方式来调整亮度，例如，有的芯片通过设置内部的寄存器来直接设置LED的直流工作电流，从而达到不同的亮度台阶，这种方式的缺点是可能会产生色移。所谓的白光LED，其实是利用一种作为其管芯的蓝光LED所发出的短波长紫蓝光，激发涂布于输 出光学透镜内壁的荧光材料，进而产生波谱较宽的白色复合光。 在非额定电流工作情况下，LED所产生的光谱会有变化，导致最 终的白光有色移。而另一种方式就是PWM调光，利用人眼的视觉 暂停原理，以一定的频率和占空比来周期性的控制白光LED的导通电流在零电流到额定工作电流之间来回切换，从而调整亮度， 这种调光方式就不会产生色移。在应用时，为了确保人眼看不到 LED周期亮灭的情况，PWM调光的频率一般要大于100Hz, CP2130/1/3可以支持050KHZ的调光频率范围，这样大大方便 了系统的设计。并且由于芯片优越的环路控制特性，保证了调光 过程的平稳，消除了可能潜在的噪声干扰。同时对于第一种调光方法，CP2130/1/3也设置了满量程、2/3 量程和1/3量程三