提到LED驱动,大家会想到什么?小到手机的屏幕背光、键盘背光、闪光灯或者电筒灯(手机上照明用的),LED照明,大到LCD TV背光等等。对于屏幕背光而言,屏幕大小不同就需要不同数目的LED,例如,3英寸屏幕一般需要的背光LED数量是2个~4个。屏幕要达到显示的亮度均衡就要让这些不同数量的LED保证发光一致,而LED的发光亮度是与其驱动电流相关,因此,LED驱动需要保证流经LED的电流一致。

背光亮度要均匀
驱动的LED可以是串联、并联和串/并结合。对于串联的LED,流经所有LED的电流相同;对于并联和串/并结合的LED,就需要考虑并联各支路之间的电流一致性,否则就会存在发光不均匀的问题。对此,各公司都有相应的处理方案,华润矽威采用电流源的方式使各并联支路LED驱动电流一致;启攀采用Smart-Mirror技术可以保证各并联支路LED电流差异在0.3%之内;Sipex公司技术支持经理应滨说,现在以及未来的笔记本电脑、手机都需要使用导光板使背光亮度均匀。那么,为何还要使各并联支路的电流尽量精确匹配?应滨解释,当各支路的驱动电流匹配得越好,LED发光越均匀,屏幕需要的LED
数目就可以越少,并且1.5%精度的LED电流匹配度加导光板设计完全可以使背光亮度均匀。
电感升压 vs 电荷泵
从LED驱动的结构来看,一般可以分为电感升压型(DC/DC)和电荷泵型。对于串联的LED,由于驱动电压要求升高,所以一般采用电感升压型结构(见图1);对于并联的LED,LED驱动则通常采用电荷泵型结构。东钜公司分析了这两种结构的特点:电感升压型效率连续,其优点是平均效率高,至少可以稳定在80%以上,但电感体积较大(特别是高度)而且电感会对RF存在EMI干扰问题;电荷泵型效率不连续,其缺点是平均效率比较低,在升压倍数转换的时候效率变化较大(见图2),而且电荷泵一般用1mF的小电容,可以使用很小的封装。
从图2中看出,在同等驱动电流及升压倍数不变的条件下,随着电池电压(输入电压)降低,电荷泵效率会逐渐上升(例如在2.4mA条件下,Vin从4.2V降到3.8V,3.6V,3.2V时,效率曲线逐渐上移);但是由于LED驱动电流越大,其导通压降也越高,所以在输入电压不变的条件下,当驱动电流增大到一定程度时,电荷泵需要提高升压倍数才能正常驱动LED,这时效率会有突然的跌落(见图2蓝色曲线I=4.0mA ~ >5.6mA的部分,由于LED导通压降大于3.2V,电荷泵的升压倍数从1倍~ >1.5倍,转换效率从95%降低到60%左右)。

技领半导体(Active-Semi)电源管理部门副总裁Gary Hurtz则认为,像欧洲、美国、日本盛产手机终端的大公司倾向于使用电感升压型结构,这些公司有十多年丰富经验的设计工程师,他们通过选用质量较好的电感达到更严格的电磁场要求,甚至可在电感外面加屏蔽(shield)来克服电感对RF模块造成EMI干扰;另一方面,电荷泵结构并非不会造成干扰,只是它们的干扰种类不一样:电荷泵在每次输入到输出转换的瞬间会产生电流尖峰,该电流尖峰也照样产生噪声,通过电池、基带传到RF模块。该电流尖峰的频率不会影响人眼看到的LED亮度,但可对音频部分造成影响。华润矽威认为,如果能够解决电感升压型结构存在的EMI问题,那么这种结构是一个非常好的方案,但是综合考虑采用好质量的电感器和增加屏蔽所带来的成本,以及设计的复杂度,他认为最适合国内的方案还是电荷泵结构的LED驱动,而且电荷泵型的LED驱动在国内市场会进一步扩大。
电感升压和电荷泵之外的第三种结构
电感升压型的需要用电感器,而电荷泵型的电路又比较复杂。是否存在一种更简单结构的LED驱动电路?Sipex和启攀都介绍了这种不用外接电感和电容的,线性低压降LED驱动器。这种结构可以直接利用电池电压来驱动LED,只要满足电池电压比LED导通压降高100mV,LED就能正常工作。现在很多厂家能制造导通压降为3.2V的LED,而且锂电池的额定电压为3.6V或3.7V。因此,在这些条件下LED完全可以正常工作。但是,厂商为了延长手机待机时间,往往把强制关机电压降低,那么100mV的条件有可能不满足。这时出现的现象是,手机快没电的时候手机屏幕变暗了一些。如果今后LED导通压降能做到3.1V或更低,这对于线性结构LED驱动就不再是一个问题。
何时放入PMU
LED驱动不仅仅以分立器件形式出现,它也会集成到电源管理单元(PMU)中。PMU方案通常集成了多个DC/DC转换器,数个LDO,充电器和保护电路,LED驱动等模块。由于PMU针对某一特定应用定制,因此可能会根据需要删减各功能模块。LED驱动也可能因为各种原因不被集成到PMU中。Gary指出,不需要集成背光LED 驱动的情况可能有:1,显示模块本身就集成了LED驱动;2,该显示屏不是采用LED背光,而是采用CCFL背光;3,当处理器和显示屏距离比较远时,为避免走长线,需要将LED驱动尽量靠近显示屏, 所以我们也引伸灵活地改变了一些没有背光控制的PMU,例如把背光变成通用的升压,给一些相关的外设。