LCD背光应用中的LED电源管理策略

1、lcd背丸应用中的led电涵皤理策略发布商:cmlyst半导体 时间:20()61101浏览2554次 【字体：大 中小】图1：分数电荷泵ic可为白光led提供3个并行输出。led配置和驱动器ic用于背光的小尺寸白光ll：d 一般在通过20m/电流时的正向电压为3.4匕 这些led所要求的电压可能比 电池能提供的电压高,因此必须对其驱动电压进行升压。在icd设计中提高liod电压有两种方法：采用 电容性电荷泵拓扑结构或电感性升压转换器。串联拓扑通常采用电感性升压lei)驱动器,而并联lcd拓 扑则一般带有分数电荷泵ico lcd配置和总体系统需求通常确定了是采用电荷泵还是电感性升压转换黠。 电

2、荷泵往往更加容易实现,并且可以确保噪声更低,而电感性升压转换器则具有更高的效率。图1是用于为两英寸的手机lcd提供背光的典型电路,该电路采用了分数电荷泵。由于所要求的外部器件 数很少,pcb占板面积也很小,因此电荷泵非常有优势。1x/1.5x分数电荷泵支持两种操作模式,并能根据电池输入电压和led正向电压自动进行模式选择。一般 情况下,当电池电压超过3.6v时,驱动电路工作在“ix模式”，电源通过导通晶体管直接连接到输出。 这种线性模式的效率最高且噪声最低。当电池电压低于3.6v时,驱动电路从ix模式转换到1.5x模式,同时将输出电压升压到电池输入电压的1.5倍。它采用具有两个快速电容(图1中

3、的c1和c2)的开关配置,这两个电容将能量传输给负载。在模式 切换期间,输入电流增加到1.5倍,从而加快电池放电的速度。例如,对于三个通过2()m八电流的led来 说,ix模式下的电源电流约为6()nia, 1.5x模式下的电源电流则上升到9om八左右。20ma图2:升压转换器ic可为8个串联的白光led提供单个输出。电荷泵的效率 电荷泵效率等于输出与输入功率之比: 效率二 pled/pin = pum何林其中,匕血为lud功率,p、为输入功率。因此,对于给定的led电流和v叫 输入电流增加将降低电路 效率。在正常状态下,大部分白光led的正向电压(v)为3v36儿v，更低的led允许驱动器祀

4、ix模式下工丁佔、曰毎 山厶宓站 h 占出 rr、:曰妙 n 紹么乂 仏inductorcurrent(100 ma/div)inductor current 320 ma (100 ma/div) peaksw(20 v/div)v|n叫川8 leds at 25 maisw(20 v/div)ia/l41/sauration:vin =；mv8leeis at30 riatttt117t"tttttttilli"/j c # 3、辽加(a)500 ns/div(b)500 ns/div3. switchi ng waveforms for in ductor curre

5、nt are shown for no rmal (a) and saturated(b) operation.图3:正常工作状态®和电感磁芯饱和状态(b)下电感器电流的开关波形图。电感性升压转换拓扑对于尺寸较大的lcd或者电池供电的设备而言,奴率至关重要,最好的解决方案是与led串联一个电感 性升压转换器1c。图2为一个用于4英寸lcd应用电路的实例,这个l cd有8个串联led,并共用一个 锂离子电池。在电感性升压转换器中,电感通过将能量从输入传输到输出来提高输入电压。该驱动器内部的功率他t开 关位于sw引脚和地之间,当该开关导通时,电感电流斜坡上升;当该开关断开时,电感器电流通

6、过肖特 基二极管放电至输出电容。输出电容器c2保持直流输出电压具有较小的纹波电流。lud电流主要为直流, 可将led放置往远离驱动器的位置,以避免受到emi干扰。为获得最佳性能,应将电感、肖特基二极管以及输入和输出电容等所有其它器件靠近驱动器ic放置。大电 流流过电感时会产生磁场,从而形成emi干扰源。在整流反馈(fb引脚)和地之间放置电阻r1时,led电 流被设置为isffumri。为防止驱动器内部的耦合噪声被放大,可将r1直接连接到驱动器的地引脚。在2002.53.03.54.04.55.0input voltage (v)4. as indicated by the graph, a h

7、igher input voltage is needed to increase power output when using inductive boost conveters.- - _图4:当采用电感性升压转换器时,需要更高的输入电压来增加输出功率。电流的上升速度i/dt）由比率v/l设置，其中v是电感器l上的电压。电流波形的斜率越大,流过内部开 关的具有毛刺的蜂值电流就越高,并且可能损坏驱动器或系统中的其它器件。电感器额定电流（也称饱和电 流）即为推荐的最大蜂值电流。为了选择尺寸最小的电感，峰值电流应在电感器的额定电流范围内。对于给定的负载,最低的输入电压决 定了最大的输入电流或最

8、坏的工作状况。例如,图3显示了采用以前的应用电路，并由3.1v低电压供 电时的电感电流和51f引脚上电压的开关波形。图3a是电路正常工作在320ma（峰值）电流状况下,并釆用额定电流为320m八、磁芯未饱和的33小1电感时 的开关波形图。图3b是电路的工作电流为450ma（峰值）电流,且电感磁芯饱和时的开关波形图。实际上还 可以将测量箝位电流的探针放置在连接电感器和电源的电线上,以监控电感电流。这种测量应该在最坏状 态下进行，即当v时在电压范围的下限值附近且负载电流最高时。此时，在连接到探针的示波器上观察到 的电流波形如图3所示。升压比和效率当以大电流驱动很长的led串时,工作电源电压越高越好

9、,因为电源电压高可以减少输入电流。1z=pled/ （h x其中,i卜二直流平均输入电流,v衣二输入电压,h二驱动器效率,p®二输出功率。因此,当电源电压从3v降至6v时,电流琮可以减少一半。电感性升压转换器具有用于内部保护的开关 限流功能,可限制输入电流,因此增加输出功率或led电流的唯一方法就是使用更高的输入电压（图4）。以更高的电源电压驱动lud的另一个优势是,当v"t/v取的值较低时,效率通常比较高。例如,当电源 电压从3v降至5v时,由于减少了功率损耗,效率可增加大约5%。驱动器ic还会消耗一部分功率损耗, 因为其内部的开关电阻rdsqz引起了电压降（1 r）。另

10、外,随着开关频率的增加,开关损耗也成比例增加。这些损耗都会使驱动器ic温度略微上升,但这一般不会导致什么问題,因为驱动器ic本身仅消耗全部功 耗的一小部分（低于10%）。由于电感器有串联电阻,所以它也会消耗功率,并引起电感内部温度上升。肖特 基二极管也会产生功率损耗很效,因为它导通时有正向压降（少于0.5v）。总的来说,基于电感性升压转换 器的解决方案的效率比较高,一般在80%和90%之间，具体值取决于瀝试条件和使用的器件。至于增加多少输入电压才能获得高输出电压是有限制的,这由升压转换器的最大占空比来设定。占空比d 定义为开关导通时间tg与开关周期t（d二tg/t）之比,升压转换器的输入与输出电压的比等于: 其中,vn二输入电压,vg讦输出电压。例如,最大占空比90%相当于v取与v。"的升压比等于10。换句 话说，对于3v的电源电压,理论上的最大输出约为30v°对于小尺寸lcd背光,我们可以先考虑并行led,这里的电荷泵驱动电路提供了最简单的设计方法,而 且方案的尺寸小、成本低。