面向微型LED的更小驱动器——延长电池寿命并减小电路空间

　　随着技术的进步，LED正变得更小、更亮且功效更高。为了让LED产生想要的亮度，需要由LED驱动电路提供恒定的电流。当今大多数蜂窝电话采用微型白色LED及很小的LED驱动器，从而在整个彩色LCD显示屏上产生精确和均匀一致的亮度。电池寿命主要由LCD的亮度决定，当电话处于通话状态时，LCD所耗功率大约占总功率预算的1/3。LED本身和调节电流的驱动电路都会消耗功率。在微型LED驱动器应用中，除了电池寿命之外，电路板的空间也是一个重要的考虑，从而使得LED驱动器拓扑结构的选择变得比以往任何时候更为重要。

LED驱动器拓扑：空间因素

　　在手持设备中最流行的电池是锂离子电池，电池电压的范围从满充电时的4.2V下降到放电状态的大约3.3V。在背光应用中，白光LED在电流为20mA时通常展示出大约3.4V的正向电压(V_F)，但是，该电压会随着型号和温度而变化。为了避免低电池电压工作期间LED出现闪烁现象，有必要引入升压电路。两种流行的升压驱动器的架构分别是开关电容型和电感升压型驱动器。

　　开关电容电荷泵并行地驱动LED，该电路通常需要采用4个0403型封装的1μF的陶瓷小电容，它提供了当今最为紧凑的解决方案，并且不需要电感器。图1所示为采用2.5×2.5mm QFN封装的三通道电荷泵驱动器的例子，用一个外部电阻来设置LED电流。除了三个LED之外，所有需要的元器件都可以安装在不到1平方厘米的电路板面积之内。

　　比较而言，电感升压型LED驱动器则采用一个电感来提升电压并以串联方式驱动LED。这类驱动器的主要好处在于流经LED的电流一样，从而产生理想的亮度匹配；缺点在于线绕电感器的形状大，具体大小取决于电感值和额定电流。例如，在背光应用中，额定电流为200mA的22μH电感的高度为1~2mm，而占位面积为2×2mm~4×4mm。电感的高度越低，其表面积就越大。根据不同的LED驱动器类型，可能还需要外部肖特基二极管。假设一个封装为SOT23的驱动器采用一个外部肖特基二极管，则除了三个LED之外，总的电路板面积还约需1.5mm2。

　　比较所需要的电路板资源可见，电路板面积节省了1/3；如果把电感升压方案替换为电荷泵方案，就可以节省更多的电路板面积。对两种拓扑的选择常常由LCD LED的配置来规定，这些LED要么采用串联方式配置，要么采取并联方式配置。具有串联LED配置的LCD仅仅需要两个与LED连接的端口，而并联LED配置的LCD所需要的端口数则多达LED的数量，还要再加一个公共接点。故对于较大面板的LCD，人们宁愿采用串联结构以将连接点的数量减到最少。

图1：Catalyst三通道电荷泵LED驱动器外形图。

延长电池寿命

　　图2所示为锂离子电池电压放电的例子。此例中，780mAh的典型手机电池被用来向工作电流为20mA的LED连续供电。电池放电时间显示在水平轴上，结果得到的总的持续时间稍微超过9个小时。如果把这个电荷泵驱动器与基于电感的解决方案比较，所测得的电池寿命(取决于电感升压驱动器IC)仅仅有百分之几的微小差异。

图2：锂离子电池电压放电曲线(LED V_F为3.3V)。

　　在电池电压足以直接为LED直接供电的时候，电荷泵驱动器就工作在1x模式；当电池电压下降到与LED V_F接近的时候，驱动器自动转换到1.33x电荷泵模式，此时，输出电压在内部被提升到输入电压的1.33倍。图2所示为驱动4个V_F为3.3V、工作电流为20mA的LED时的整个电池寿命期间的电池电压和电流工作曲线。在1x模式，输入电流大约为80mA，在1.33x模式增加到110mA。在1x模式，输入电流基本上等于总的LED电流(忽略1到2mA的静态电流)。在1.33x模式，输入电流大约为输出电流的1.33倍；而在1.5x模式，输入电流是输出电流的1.5倍。在电荷泵模式中，输入电流越大，电池消耗得越快。对于锂电池应用，在驱动器保持在1.33x模式且不进入1.5x模式时，电池电压可以下降到3V。

　　电荷泵LED驱动器的一个重要优点是其能够尽可能长时间地保持在1x模式的能力，另外还有低输出电阻(小于1Ω)和低LED引脚电压降(大约150mV)特性。图2显示了本例中向电压为3.5V的1.33x模式的转换，转换后的电压比3.3V的V_F高200mV。

LED正向电压

　　LED的关键特性是其V_F与电流的关系。图3所示为工作电流为20mA、V_F高达3.5V的LED的电池寿命。对于这种驱动器IC，输出电压必须比LED V_F高200mV，因此需要将1X向电荷泵模式转换的电压设置到大约3.7V。在电荷泵工作模式的时间越长，电池寿命就越短。在本例中，由于采用比3.3V更高的3.5V的V_F，电池寿命减少半小时或总量的5%。

图3：工作电流为20mA、V_F高达3.5V的LED的电池寿命曲线。

　　当从小于3.7V的电池电压开始工作时，四模式分数电荷泵—包含一个1.33x模式开关架构—展示了比其它LED驱动器更高的效率。与仅仅工作在1.5x模式相比，在1.33x模式工作的好处在于(在本例子中)电源电流为110mA，效率比电源电流为122mA时提高了10%。对于更高V_F的LED来说，电池寿命更短。

　　与2~6个LED应用中所使用的电感升压驱动器相比，分数电荷泵，特别是最新的四模电荷泵LED驱动器，可提供可与之媲美的效率。电荷泵的优点在于它们的结构紧凑、便于实现且具有低噪声性能。这些功能的结合使它们成为手持设备中小型LCD屏幕背光照明的极具吸引力和颇受欢迎的解决方案。LED的正向电压特性及其驱动器指标是选择微型LED和驱动器IC的重要参数。

作者：Fabien Franc

产品应用经理

Catalyst半导体公司