前言：
最近幾年行動電話、PDA等可攜式電子產(chǎn)品的液晶顯示器逐漸從黑白銀幕更換成彩色銀幕，由于液晶本身不會發(fā)光所以液晶顯示必需利用背光照明單元顯示銀幕的信息�？蓴y式電子產(chǎn)品的背光照明單元基于耗電性等考慮，因此白光LED正當(dāng)快速取代傳統(tǒng)燈泡，成為背光照明單元主要發(fā)光組件。為了使白光LED點燈必需使用高順向電壓VF 與順向電流 IF，尤其是背光照明單元的電流控制，對可攜式電子產(chǎn)品的電池動作時間具有絕對性影響，因此本文將深入探討白光LED背光照明單元的動作原理與驅(qū)動電路的設(shè)計技巧。
LED的驅(qū)動特性
圖1是一般穿透式彩色液晶顯示器的結(jié)構(gòu)，由圖可知LCD面板下方設(shè)有白光LED光照明單元，白光LED產(chǎn)生的光線經(jīng)由導(dǎo)光板的反射均勻擴散射入LCD面板內(nèi)，提供彩色畫面給使用者讀取。
如圖2所示傳統(tǒng)背光照明單元的白光LED是并聯(lián)驅(qū)動，由于白光LED的亮度因負載電抗RL的阻抗值使得電流 IF受到限制，也就是說白光LED的亮度取決于電阻的阻抗值。然而白光LED的電壓 VF本身具有不同的波動范圍，因此相同的電阻會使白光LED的亮度產(chǎn)生分布不均現(xiàn)象。
圖2 傳統(tǒng)背光照明單元的白光LED的驅(qū)動方式
如上所述白光LED的亮度若不相同時，背光照明單元的光線就會有所謂的照明不均問題，雖然使用電氣特性相同的LED可以改善亮度不均的困擾，不過實際上卻無法對LED廠商作如此要求。此外配合各LED的電氣特性，逐一調(diào)整負載電阻的阻抗值，事實上這種方式并非根本的對策。為了使流入LED的電流完全相同，所以將串聯(lián)方式改成圖3所示的串聯(lián)方式，如此一來即使LED的電壓具有不同的波動值，由于流入各LED的電流ILED相同，因此各LED產(chǎn)生的輝度幾乎一致。
每個白光LED最少需施加3.6V以上的驅(qū)動電壓才能獲得預(yù)期的輝度，由圖3可知當(dāng)復(fù)數(shù)個白光LED串聯(lián)連接時，相對的必需等比例提高驅(qū)動電壓。圖4是利用switching regulator IC NJM2360構(gòu)成白光LED驅(qū)動電路，該電路是施加1.25V的電壓 VREF至INVIN端子藉此方式?jīng)Q定RL的阻抗值，也就是說決定白光LED亮度的各LED電流 ILED可由下式求得:
如圖2所示傳統(tǒng)背光照明單元的白光LED是并聯(lián)驅(qū)動，由于白光LED的亮度因負載電抗RL的阻抗值使得電流 IF受到限制，也就是說白光LED的亮度取決于電阻的阻抗值。然而白光LED的電壓 VF本身具有不同的波動范圍，因此相同的電阻會使白光LED的亮度產(chǎn)生分布不均現(xiàn)象。
圖2 傳統(tǒng)背光照明單元的白光LED的驅(qū)動方式
如上所述白光LED的亮度若不相同時，背光照明單元的光線就會有所謂的照明不均問題，雖然使用電氣特性相同的LED可以改善亮度不均的困擾，不過實際上卻無法對LED廠商作如此要求。此外配合各LED的電氣特性，逐一調(diào)整負載電阻的阻抗值，事實上這種方式并非根本的對策。為了使流入LED的電流完全相同，所以將串聯(lián)方式改成圖3所示的串聯(lián)方式，如此一來即使LED的電壓具有不同的波動值，由于流入各LED的電流ILED相同，因此各LED產(chǎn)生的輝度幾乎一致。
每個白光LED最少需施加3.6V以上的驅(qū)動電壓才能獲得預(yù)期的輝度，由圖3可知當(dāng)復(fù)數(shù)個白光LED串聯(lián)連接時，相對的必需等比例提高驅(qū)動電壓。圖4是利用switching regulator IC NJM2360構(gòu)成白光LED驅(qū)動電路，該電路是施加1.25V的電壓 VREF至INVIN端子藉此方式?jīng)Q定RL的阻抗值，也就是說決定白光LED亮度的各LED電流 ILED可由下式求得:
假設(shè)各LED的電流ILED為15mA， RL約為830Ω，三個3.6V白光LED的電壓VF并聯(lián)連接時，LED整體的驅(qū)動電壓 VLED 為:
VLED= VREF + NVF
= 1.25 + 3x3.6
= 12.05 (V)
N : 并聯(lián)連接的LED數(shù)量
白光LED點燈時需要15MA的電流IF ，不過周圍很黑暗的環(huán)境時，往往不需作全開驅(qū)動，此時可控制驅(qū)動電流抑制LED的亮度，進而降低LED的耗電量，這對使用電池的可攜式電子產(chǎn)品而言，乃是非常重要的節(jié)約電流技術(shù)。有關(guān)驅(qū)動電流控制技術(shù)常用的方法是利用PWM信號作控制，該方法經(jīng)常被應(yīng)用在其它領(lǐng)域，例如馬達控制或是聲音信號處理等等。由于PWM信號可使switching regulator作ON/OFF，因此它可使LED的輝度穩(wěn)定化，同時還可以確保電池長時間的動作特性。由圖5可知周圍溫度一旦超過 500C，白光LED的容許順向電流會大幅降低，在此情況下如果施加大電流，很容易造成白光LED老化，為了減緩白光LED的老化速度，所以必需利用周圍溫度調(diào)整基準電壓 VREF ，藉此減少電流的供給。
根據(jù)以上的說明可歸納下列結(jié)論:
* 白光LED的電壓VF非常高。
* 電壓 VF本身具有波動值。
* 衡時全開點燈會使白光LED的耗電量增加。
* 電源電壓變動會影響白光LED的輝度。
為了使白光LED能穩(wěn)定點燈，且不受電壓VF 本身波動值以及電源電壓變動的影響，所以必需使用專門的白光LED驅(qū)動器。
白光LED的驅(qū)動電路
* 基本驅(qū)動電路
如圖6所示一般switching regulator是設(shè)法使feed back電壓VFB，與內(nèi)部基準電壓VREF相等進而控制電壓，因此決定白光LED亮度的電流ccc可由下式(1)求得。如果將周圍的亮度也列入輝度控制電路時，如圖6的白光LED驅(qū)動電路就變成圖7所示的結(jié)構(gòu)。圖7的電路與圖6的電路最大差異點，是圖7的電路增加設(shè)置photo transistor Tr1、電阻R1 與R2voltage follower的OP增幅器(演算增幅器)IC1 ，此時流入Tr1輸出電壓VSENS與白光LED的電流ILED可用下式表示:
換句話說利用上式驅(qū)逐白光LED的場合，必需作下列調(diào)整作業(yè):
* 為獲得周圍亮度必需調(diào)整照度傳感器(sensor)的輸出電壓 VSENS。
* 利用輸出電壓 VSENS調(diào)整白光LED的亮度。
* 利用PWM信號使switching regulator作ON/OFF的輝度控制電路
上述圖7的驅(qū)動電路是在feed back電壓進行輝度控制，相較之下圖8是利用PWM信號使switching regulator作ON/OFF控制輝度。圖中的EN端子是可使switching regulator作ON/OFF的端子，如果對EN端子施加PWM信號，白光LED會以某種速度作ON/OFF，進而獲得控制輝度的預(yù)期效應(yīng)，這種情況必需設(shè)置可使photo transistor Tr1的輸出轉(zhuǎn)換成數(shù)字值的A-D轉(zhuǎn)換器(converter)，以及可從數(shù)字值產(chǎn)生PWM信號的電路。利用PWM信號控制白光LED ON/OFF的場合，流入白光LED的平均電流 ILED(avg)可用下式表示:
* 白光LED專用驅(qū)動電路
接著要介紹白光LED專用驅(qū)動電路用NJU6502 IC。圖9是NJU6502 IC的電路方塊圖，NJU6502 IC除了switching regulator之外，還具備photo transistor輸入電路、A-D轉(zhuǎn)換器、PWM控制器，以及可從微控器(micro controller)設(shè)定內(nèi)部阻抗值與動作模式的serial interface。PWM控制用電阻(resistor)共有8個，每個電阻都可任意 設(shè)成6位，各電阻可利用周圍照度亦即photo transistor產(chǎn)生的輸入電壓作選 擇，換句話說輝度的控制可由64階段的其中任意8階段執(zhí)行，此外周圍照度亦可由微控器直接控制輝度。
* NJU6052IC的應(yīng)用實例
由圖10可知NJU6052 IC除了可以作升壓與輝度控制之外，電路本身的外置組件非常少。NJU6052 IC的各組件參數(shù)(parameter)取決于下列條件:
* 負載阻抗RL
由于內(nèi)部基準電壓 VREF為0.6V，因此負載阻抗RL可利用流入LED的電流ILED以及下式求得:
* 內(nèi)部振蕩器的電容量Cx
內(nèi)部振蕩器的電容量Cx可利用圖11的坐標圖求得。由于振蕩頻率fOSC 介于350kHz～500kHz之間，因此內(nèi)部振蕩器的電容量Cx 約為47pF～68Pf左右。
* L1的電感值(inductance)
L1的電感值(inductance)可用下式求得:
* 二極管的選用
由于二極管是用于switching regulator，因此選用時必需注二極管的定格電流與逆向耐壓裕度。此外順向電壓越低，switching的速度越快，電力轉(zhuǎn)換效率就越高，因此可選用shot key barrier二極管。
* pass control的選用
輸入端可選用積層陶瓷積層陶瓷電容器，而且組裝時盡量設(shè)于IC附近。此外輸出端基于抑制波紋(ripple)電壓等考慮，因此建議選用低ESR的電容。雖然輸出端也可以使用積層陶瓷電容器，不過必需注意的是如果電容量太大時放電時間會變長，進而造成與PWM信號的duty比成一定比例的調(diào)光控制無法進進行。
結(jié)語
以上介紹有關(guān)可攜式電子產(chǎn)品的液晶顯示器用白光LED的驅(qū)動技術(shù)，白光LED專用的驅(qū)動IC可使驅(qū)動電路獲得小型、高點燈效率等特性，進而使可攜式電子產(chǎn)品的電池延長動作時間。
假設(shè)各LED的電流ILED為15mA， RL約為830Ω，三個3.6V白光LED的電壓VF并聯(lián)連接時，LED整體的驅(qū)動電壓 VLED 為:
VLED= VREF + NVF
= 1.25 + 3x3.6
= 12.05 (V)
N : 并聯(lián)連接的LED數(shù)量
白光LED點燈時需要15MA的電流IF ，不過周圍很黑暗的環(huán)境時，往往不需作全開驅(qū)動，此時可控制驅(qū)動電流抑制LED的亮度，進而降低LED的耗電量，這對使用電池的可攜式電子產(chǎn)品而言，乃是非常重要的節(jié)約電流技術(shù)。有關(guān)驅(qū)動電流控制技術(shù)常用的方法是利用PWM信號作控制，該方法經(jīng)常被應(yīng)用在其它領(lǐng)域，例如馬達控制或是聲音信號處理等等。由于PWM信號可使switching regulator作ON/OFF，因此它可使LED的輝度穩(wěn)定化，同時還可以確保電池長時間的動作特性。由圖5可知周圍溫度一旦超過 500C，白光LED的容許順向電流會大幅降低，在此情況下如果施加大電流，很容易造成白光LED老化，為了減緩白光LED的老化速度，所以必需利用周圍溫度調(diào)整基準電壓 VREF ，藉此減少電流的供給。
根據(jù)以上的說明可歸納下列結(jié)論:
* 白光LED的電壓VF非常高。
* 電壓 VF本身具有波動值。
* 衡時全開點燈會使白光LED的耗電量增加。
* 電源電壓變動會影響白光LED的輝度。
為了使白光LED能穩(wěn)定點燈，且不受電壓VF 本身波動值以及電源電壓變動的影響，所以必需使用專門的白光LED驅(qū)動器。
白光LED的驅(qū)動電路
* 基本驅(qū)動電路
如圖6所示一般switching regulator是設(shè)法使feed back電壓VFB，與內(nèi)部基準電壓VREF相等進而控制電壓，因此決定白光LED亮度的電流ccc可由下式(1)求得。如果將周圍的亮度也列入輝度控制電路時，如圖6的白光LED驅(qū)動電路就變成圖7所示的結(jié)構(gòu)。圖7的電路與圖6的電路最大差異點，是圖7的電路增加設(shè)置photo transistor Tr1、電阻R1 與R2voltage follower的OP增幅器(演算增幅器)IC1 ，此時流入Tr1輸出電壓VSENS與白光LED的電流ILED可用下式表示:
換句話說利用上式驅(qū)逐白光LED的場合，必需作下列調(diào)整作業(yè):
* 為獲得周圍亮度必需調(diào)整照度傳感器(sensor)的輸出電壓 VSENS。
* 利用輸出電壓 VSENS調(diào)整白光LED的亮度。
* 利用PWM信號使switching regulator作ON/OFF的輝度控制電路
上述圖7的驅(qū)動電路是在feed back電壓進行輝度控制，相較之下圖8是利用PWM信號使switching regulator作ON/OFF控制輝度。圖中的EN端子是可使switching regulator作ON/OFF的端子，如果對EN端子施加PWM信號，白光LED會以某種速度作ON/OFF，進而獲得控制輝度的預(yù)期效應(yīng)，這種情況必需設(shè)置可使photo transistor Tr1的輸出轉(zhuǎn)換成數(shù)字值的A-D轉(zhuǎn)換器(converter)，以及可從數(shù)字值產(chǎn)生PWM信號的電路。利用PWM信號控制白光LED ON/OFF的場合，流入白光LED的平均電流 ILED(avg)可用下式表示:
* 白光LED專用驅(qū)動電路
接著要介紹白光LED專用驅(qū)動電路用NJU6502 IC。圖9是NJU6502 IC的電路方塊圖，NJU6502 IC除了switching regulator之外，還具備photo transistor輸入電路、A-D轉(zhuǎn)換器、PWM控制器，以及可從微控器(micro controller)設(shè)定內(nèi)部阻抗值與動作模式的serial interface。PWM控制用電阻(resistor)共有8個，每個電阻都可任意 設(shè)成6位，各電阻可利用周圍照度亦即photo transistor產(chǎn)生的輸入電壓作選 擇，換句話說輝度的控制可由64階段的其中任意8階段執(zhí)行，此外周圍照度亦可由微控器直接控制輝度。
* NJU6052IC的應(yīng)用實例
由圖10可知NJU6052 IC除了可以作升壓與輝度控制之外，電路本身的外置組件非常少。NJU6052 IC的各組件參數(shù)(parameter)取決于下列條件:
* 負載阻抗RL
由于內(nèi)部基準電壓 VREF為0.6V，因此負載阻抗RL可利用流入LED的電流ILED以及下式求得:
* 內(nèi)部振蕩器的電容量Cx
內(nèi)部振蕩器的電容量Cx可利用圖11的坐標圖求得。由于振蕩頻率fOSC 介于350kHz～500kHz之間，因此內(nèi)部振蕩器的電容量Cx 約為47pF～68Pf左右。
* L1的電感值(inductance)
L1的電感值(inductance)可用下式求得:
* 二極管的選用
由于二極管是用于switching regulator，因此選用時必需注二極管的定格電流與逆向耐壓裕度。此外順向電壓越低，switching的速度越快，電力轉(zhuǎn)換效率就越高，因此可選用shot key barrier二極管。
* pass control的選用
輸入端可選用積層陶瓷積層陶瓷電容器，而且組裝時盡量設(shè)于IC附近。此外輸出端基于抑制波紋(ripple)電壓等考慮，因此建議選用低ESR的電容。雖然輸出端也可以使用積層陶瓷電容器，不過必需注意的是如果電容量太大時放電時間會變長，進而造成與PWM信號的duty比成一定比例的調(diào)光控制無法進進行。
結(jié)語
以上介紹有關(guān)可攜式電子產(chǎn)品的液晶顯示器用白光LED的驅(qū)動技術(shù)，白光LED專用的驅(qū)動IC可使驅(qū)動電路獲得小型、高點燈效率等特性，進而使可攜式電子產(chǎn)品的電池延長動作時間。 |
