白光LED驱动电路设计

    最近几年行动电话、PDA等可携式电子产品的液晶显示器逐渐从黑白银幕更换成彩色银幕，由于液晶本身不会发光所以液晶显示必需利用背光照明单元显示银幕的信息。可携式电子产品的背光照明单元基于耗电性等考虑，因此白光LED正当快速取代传统灯泡，成为背光照明单元主要发光组件。为了使白光LED点灯必需使用高顺向电压VF 与顺向电流 IF，尤其是背光照明单元的电流控制，对可携式电子产品的电池动作时间具有绝对性影响，因此本文将深入探讨白光LED背光照明单元的动作原理与驱动电路的设计技巧。

LED的驱动特性

图1是一般穿透式彩色液晶显示器的结构，由图可知LCD面板下方设有白光LED光照明单元，白光LED产生的光线经由导光板的反射均匀扩散射入LCD面板内，提供彩色画面给使用者读取。 
 
图1 穿透式彩色液晶显示器的结构
如图2所示传统背光照明单元的白光LED是并联驱动，由于白光LED的亮度因负载电抗RL的阻抗值使得电流 IF受到限制，也就是说白光LED的亮度取决于电阻的阻抗值。然而白光LED的电压 VF本身具有不同的波动范围，因此相同的电阻会使白光LED的亮度产生分布不均现象。 
 
图2 传统背光照明单元的白光LED的驱动方式
如上所述白光LED的亮度若不相同时，背光照明单元的光线就会有所谓的照明不均问题，虽然使用电气特性相同的LED可以改善亮度不均的困扰，不过实际上却无法对LED厂商作如此要求。此外配合各LED的电气特性，逐一调整负载电阻的阻抗值，事实上这种方式并非根本的对策。为了使流入LED的电流完全相同，所以将串联方式改成图3所示的串联方式，如此一来即使LED的电压具有不同的波动值，由于流入各LED的电流ILED相同，因此各LED产生的辉度几乎一致。
　
 
图3 LED的串联驱动方式
　
每个白光LED最少需施加3.6V以上的驱动电压才能获得预期的辉度，由图3可知当复数个白光LED串联连接时，相对的必需等比例提高驱动电压。图4是利用switching regulator IC NJM2360构成白光LED驱动电路，该电路是施加1.25V的电压 VREF至INVIN端子藉此方式决定RL的阻抗值，也就是说决定白光LED亮度的各LED电流 ILED可由下式求得: 
 
假设各LED的电流ILED为15mA， RL约为830Ω，三个3.6V白光LED的电压VF并联连接时，LED整体的驱动电压 VLED 为:

VLED=  VREF + NVF
     
       =  1.25 + 3x3.6
       =  12.05 (V)
N : 并联连接的LED数量
　
 
图4 利用switching regulator IC驱动白光LED的电路

　
白光LED点灯时需要15MA的电流IF ，不过周围很黑暗的环境时，往往不需作全开驱动，此时可控制驱动电流抑制LED的亮度，进而降低LED的耗电量，这对使用电池的可携式电子产品而言，乃是非常重要的节约电流技术。有关驱动电流控制技术常用的方法是利用PWM信号作控制，该方法经常被应用在其它领域，例如马达控制或是声音信号处理等等。由于PWM信号可使switching regulator作ON/OFF，因此它可使LED的辉度稳定化，同时还可以确保电池长时间的动作特性。由图5可知周围温度一旦超过 500C，白光LED的容许顺向电流会大幅降低，在此情况下如果施加大电流，很容易造成白光LED老化，为了减缓白光LED的老化速度，所以必需利用周围温度调整基准电压 VREF ，藉此减少电流的供给。

根据以上的说明可归纳下列结论:

‧ 白光LED的电压VF非常高。

‧ 电压 VF本身具有波动值。

‧ 衡时全开点灯会使白光LED的耗电量增加。

‧ 电源电压变动会影响白光LED的辉度。

为了使白光LED能稳定点灯，且不受电压VF 本身波动值以及电源电压变动的影响，所以必需使用专门的白光LED驱动器。
　
 
图5 周围温度与容许顺向电流的关系
白光LED的驱动电路

‧基本驱动电路
如图6所示一般switching regulator是设法使feed back电压VFB，与内部基准电压VREF相等进而控制电压，因此决定白光LED亮度的电流ccc可由下式(1)求得。如果将周围的亮度也列入辉度控制电路时，如图6的白光LED驱动电路就变成图7所示的结构。图7的电路与图6的电路最大差异点，是图7的电路增加设置photo transistor Tr1、电阻R1 与R2voltage follower的OP增幅器(演算增幅器)IC1 ，此时流入Tr1输出电压VSENS与白光LED的电流ILED可用下式表示: 
 
换句话说利用上式驱逐白光LED的场合，必需作下列调整作业:

‧为获得周围亮度必需调整照度传感器(sensor)的输出电压 VSENS。

‧利用输出电压 VSENS调整白光LED的亮度。
　

 
图6 switching regulator构成的基本LED驱动电路
　
 
图7利用周围照度控制LED辉度的驱动电路

　
‧利用PWM信号使switching regulator作ON/OFF的辉度控制电路

上述图7的驱动电路是在feed back电压进行辉度控制，相较之下图8是利用PWM信号使switching regulator作ON/OFF控制辉度。图中的EN端子是可使switching regulator作ON/OFF的端子，如果对EN端子施加PWM信号，白光LED会以某种速度作ON/OFF，进而获得控制辉度的预期效应，这种情况必需设置可使photo transistor Tr1的输出转换成数字值的A-D转换器(converter)，以及可从数字值产生PWM信号的电路。利用PWM信号控制白光LED ON/OFF的场合，流入白光LED的平均电流 ILED(avg)可用下式表示: 
　

 
　
　
 
图8 利用PWM信号控制LED辉度的驱动电路
　

‧白光LED专用驱动电路

接着要介绍白光LED专用驱动电路用NJU6502 IC。图9是NJU6502 IC的电路方块图，NJU6502 IC除了switching regulator之外，还具备photo transistor输入电路、A-D转换器、PWM控制器，以及可从微控器(micro controller)设定内部阻抗值与动作模式的serial interface。PWM控制用电阻(resistor)共有8个，每个电阻都可任意 设成6位，各电阻可利用周围照度亦即photo transistor产生的输入电压作选 择，换句话说辉度的控制可由64阶段的其中任意8阶段执行，此外周围照度亦可由微控器直接控制辉度。
　
 
图9 NJU6052IC的电路方块图

　
‧NJU6052IC的应用实例

由图10可知NJU6052 IC除了可以作升压与辉度控制之外，电路本身的外置组件非常少。NJU6052 IC的各组件参数(parameter)取决于下列条件:


‧负载阻抗RL 

由于内部基准电压 VREF为0.6V，因此负载阻抗RL可利用流入LED的电流ILED以及下式求得: 
 

‧内部振荡器的电容量Cx

内部振荡器的电容量Cx可利用图11的坐标图求得。由于振荡频率fOSC 介于350kHz～500kHz之间，因此内部振荡器的电容量Cx 约为47pF～68Pf左右。

‧L1的电感值(inductance)

L1的电感值(inductance)可用下式求得:
　
 

‧二极管的选用

由于二极管是用于switching regulator，因此选用时必需注二极管的定格电流与逆向耐压裕度。此外顺向电压越低，switching的速度越快，电力转换效率就越高，因此可选用shot key barrier二极管。
‧pass control的选用
输入端可选用积层陶瓷积层陶瓷电容器，而且组装时尽量设于IC附近。此外输出端基于抑制波纹(ripple)电压等考虑，因此建议选用低ESR的电容。虽然输出端也可以使用积层陶瓷电容器，不过必需注意的是如果电容量太大时放电时间会变长，进而造成与PWM信号的duty比成一定比例的调光控制无法进进行。

　
 
图10 利用NJU6052KN1 IC构成白光驱动电路
　
 
图11 Cx与fOSC  的关系
结语
以上介绍有关可携式电子产品的液晶显示器用白光LED的驱动技术，白光LED专用的驱动IC可使驱动电路获得小型、高点灯效率等特性，进而使可携式电子产品的电池延长动作时间。