驱动可携式系统白色发光二极管所面对的问题
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2003-11-01 00:00
前言:
越来越多厂商喜欢采用白色发光二极管为可携式电子产品的彩色液晶显示器提供背光。白色发光二极管的优点是寿命较长,体积较小,而且售价不断下降,因此比其它白色发光体更受欢迎。但白色发光二极管也有本身的问题,例如压降较大,介于 3.1V 至 4.0V 之间。相较之下,绿色发光二极管的压降则只限于 1.8V 至 2.7V 的范围内。此外,可携式系统普遍采用的锂电池可直接驱动绿色发光二极管,但采用白色发光二极管则需要先将电池电压提升。
由于一般的可携式系统设计无法利用较为简单的线性稳压器及限流电阻驱动背光系统的发光二极管。这类系统若要驱动发光二极管,便必须采用开关电容升压驱动器或电感升压驱动器。究竟哪一种驱动器最适合您的设计采用?我们在认真考量这个问题之前,必须了解白色发光二极管的两个特性。首先要留意的是,白色发光二极管的亮度与流经其中的电流量成正比。最受欢迎的白色发光二极管显示器的背光电流 (ILED) 一般介于 10mA 至 15mA 之间,在某些应用情况下更高达 20mA。白色发光二极管的第二个特性是,其前向压降对亮度只有轻微的影响。但前向电压的大小可以显示发光二极管的效率。
因此,以某一定电流来说,其前向电压 (VLED) 越高,发光二极管的功耗便越大。换言之,其效率便越低。因此,若不计所采用的驱动方式,效率的高低关键在于设定及控制亮度时是否有效控制流经发光二极管的电流。
平行驱动与串行驱动的优劣比较
一般来说,开关电容升压驱动方式与电感升压驱动方式都同样先提升电池的电压,然后将外置限流电阻或内部稳压电源供应器以串行方式连接发光二极管,以设定电流 (ILED),藉此控制发光二极管的亮度。
另一成本较为低廉的解决方案是将发光二极管平行连接开关电容升压驱动器的输出端。由于发光二极管以平行方式连接一起,因此升压电路只需将锂电池的电压提升 50%,便可为发光二极管的压降提供足够的电压补偿,也可为用以设定电流的限流电阻 RB (图 1a) 或稳压电源供应器 (图 1b) 的压降提供足够的电压补偿。换言之,驱动电路本身可以利用低电压的半导体制程技术制造,这样有助降低生产成本。
此外,我们也可利用设有外置电阻 (RB) 的开关电容升压驱动器,这是成本最低的解决方案,但这个方案需要为外置电阻 RB 设定一个合适的数值,以确定发光二极管的亮度。虽然我们只需很低的成本便可轻易选定一个相匹配的电阻RB,以设定流经每一发光二极管的电流 (ILED),但发光二极管之间的前向压降波幅也相当大,足以令发光二极管的亮度出现明显的波动。例如,测量 OSRAM Opto Semiconductors 提供的芯片样品时,显示电压波幅高达 100mV。当然我们可指定选用已连结 (binned) 的发光二极管,以便缩小亮度差距。但一般来说这样做会增加组件的成本。
我们可以采用内置稳压电源供应器的开关电容升压驱动器 (图 1b) 而非采用外置式限流电阻,以确保不同发光二极管的亮度能保持高度一致。
美国国家半导体的 LM2794 芯片是一款内置电源供应器的开关电容升压驱动器,可以驱动发光二极管,确保不同发光二极管的电流相差不会超过 0.5%。只要采用 LM2794 芯片便可将四个发光二极管平行连接,其亮度可以利用两个不同的方法加以控制。例如,我们可以利用停机接脚的脉冲宽度调变 (PWM) 讯号控制亮度。但我们也可采用 BRGT 接脚的模拟电压控制亮度,而且这个方法可以取得更好的线性效果。由于我们可以连续输入任何形状的模拟波形,因此有多种不同的发光模式及效果可供我们选择。
因此,对于需要一至四个发光二极管的电路来说,采用设有稳压电流的开关电容器设计较为理想,因为这样可以确保亮度保持一致,体积更小,更易控制,功能更为齐备,而且成本可以降至最低。但这个方案也有其缺点:能源效益比采用电感升压驱动器搭配串行发光二极管的设计为低。
若采用电感升压驱动器的设计,便可将发光二极管以串行方式连接一起 (图 1c)。采用串行方式的好处在于同一电流 (ILED) 流入串行发光二极管,因此能保证各电流的大小保持一致。另一优点是由于升压开关稳压器发挥稳定供电的作用,因此即使电池电压出现较大的波动,发光二极管的亮度也可恒久不变。
像美国国家半导体 LM3500 这类电感升压驱动器可以驱动高达四个串行一起的低 VF 发光二极管。我们若要增加灯光数目,可以采用平行方式连接更多发光二极管,并保证添加的第二串共四个的发光二极管全部都可获得提供大小相同的电流。即使再添加第三串发光二极管,效果也一样。但这个设计不能保证第二串发光二极管的亮度与第一串的亮度保持一致。第二串发光二极管 (共四个) 的电流取决于其压降。再添加的第三串发光二极管也如是。但亮度的参差可能没有实质上的意义。无论哪一串发光二极管,其中四个发光二极管的不同压降可能会互相抵销,因此即使发光二极管之间的压降可能相差很大,这些压降也有很大机会互相抵销。此外,将系统的每一串发光二极管分隔开,也可令亮度的参差不太明显。
以行动电话为例来说,经过稳压的第一串白色发光二极管因为可确保光线亮度稳定不变,所以可为电话的彩色屏幕提供背光。第二及第三串白色发光二极管则可为按键提供背光。上述例子也显示采用电感升压驱动器驱动串行白色发光二极管的设计有其优点,驱动器及每一串共四个白色发光二极管之间只需一或两条线路连系。相较之下,采用开关电容器平行连接的设计便需要四条线路连系才可驱动四个发光二极管。以行动电话来说,我们可以将电源供应器放置于电话的主机板上,而发光二极管则可放置于折合盖内的辅助电路板上。电话折合盖与电话本身之间的线路连系数目必须尽量减少,这是这个设计的关键。
电感升压驱动器的效率优势
采用电感升压驱动器驱动串行白色发光二极管的设计还有另一优点,那就是其能源效益远比电容升压驱动器的设计为高。
图 4. 以采用电感升压驱动器驱动三个发光二极管的设计为例来说 (参看图 a),在锂电池的典型电压范围内,这个设计的能源效益平均可达 78%。相较之下,采用开关电容升压驱动器的设计 (参看图 b) 则只有 63% 的能源效益。
以美国国家半导体的 LM3500 电感升压驱动器与美国国家半导体的 LM2794 开关电容升压驱动器为例来说,我们可以比较两者的效率曲线。例如,我们可以在典型锂电池的 3.0V 至 4.2V 输入电压范围内测量有关的效率数字。该两款驱动电路分别连接三个发光二极管,每一发光二极管的压降为 3.6V。驱动电流 (ILED) 设定为 15mA。
最后测量出来的数字显示电感器升压设计的平均效率为 78%,而开关电容器升压设计的效率则为 63%。这个 78% 的效率数字已将外置限流电阻的损耗及发光二极管本身的功率消耗包括在内。我们有一组可以真正作比较的测量数字,因为这个 63% 的效率数字已将开关电容驱动器内含的匹配电源供应器所产生的功率消耗包括在内。
有多个理由可以解释为何电感升压驱动器较有效率。第一,每一串发光二极管只有一个限流电阻。但开关电容升压驱动器则不同,每一发光二极管都有一个限流器,例如电阻或稳压电源供应器。换言之,四个发光二极管共有四个限流器。
第二,电感电压转换器比开关电容电压转换器更有效率。电感电压转换器只需一个开关及一个整流二极管或两个开关。但开关电容电压转换器需要最少四个开关才可发挥倍压器的功能,甚至需要五至六个开关才可提供 3/2 倍的升压。此外,电感电压转换器的两个开关可以选用体积较大的一种。较大的金属氧化半导体 (MOS) 晶体管的电阻较低,因此效率也更高。
第三,电感升压驱动器较有效率的原因是开关电容电压转换器有其内在的特性。开关电容电压转换器的电荷泵增益是固定的,而且只能是简单的分数 (例如 2, 3/2, 1 等)。设定增益倍数时,必须确保即使在最坏的情况下仍能提供足够的升压将所需的电流驱入发光二极管。转换器必须为最低输入电压 (VIN)、 发光二极管最高电压及发光二极管最高电流提供足够的升压,而且必须可以在不同温度及制程下维持较长时间的升压。
这个设计需要将增益设定在典型应用方案一般要求的数值之上。但增益若比实际需要大,便会直接增加功率消耗 (IIN)。升压过高所产生的功率会经由线性装置如外置限流电阻或内置电源供应器耗散。换言之,以充满电的电池来说,升压过高的输出电流会自动耗散,令驱动器的功率转换效率只能保持在 50 至 60% 之间。
更先进的开关电容驱动技术可以利用输入电压的不同增益以及利用输出电压的增益跳跃功能以提高整体效率。电感驱动器并无这个问题,因为有关增益已作为控制环路的一部分而作出调整。换言之,有关增益与脉冲宽度调变转换器的工作周期成正比。工作周期不时改变,使所需增益减至最低,也输入电流降至最低,而且更可根据输入电压及输出电压将输入电流灵活调校至所需要的水准。一般来说,好的电感升压驱动设计可以发挥比开关电容驱动设计更高的转换效率。
转换效率还是输入功率?
我们真正想要知道的是各种不同驱动器的亮度效率。若以方程式表达,那就是 (亮度) ÷(输入功率)。但“亮度”是很难量化的,所以我们采用发光二极管驱动器的效率作为衡量标准。若以方程式表达,那就是 (输入发光二极管的功率) ÷(总输入功率)。
一般来说,采用“效率”这个概念让我们更容易明白功率转换的能力及损耗。但以发光二极管驱动器的应用情况来说,若以效率作为衡量标准,有时可能会产生误导作用。虽然了解“效率”的意义很重要,但对于某一水准的亮度来说,输入功率 (即电池提供的输入电流总量) 的消耗量,才具有举足轻重的关键作用。
正如图 5 (a) 所示,输入到电感升压驱动器的电流是增益及输出电流的乘积。(为了简化计算步骤,以下方程序不将接地接脚的电流计算在内):
IIN = G x IOUT [1]
计算发光二极管驱动器效率的方程式是:
E = PLED ÷ PIN = (N x VLED x ILED) ÷ (VIN x IIN) [2]
我们可以据此作出以下的概括:
ILED = IOUT [3]
G = VOUT ÷ VIN [4]
VOUT = (N x VLED) + VFB [5]
将方程式 [1]、[3]、[4] 及 [5] 代入到方程式 [2] 内,可推算出以下的方程式,以界定电感升压驱动器的发光二极管驱动效率:
E = (N x VLED) ÷ ((N x VLED) + VFB)
一般来说,(N x VLED) 远比 VFB 为大。因此电感升压驱动器的“效率”数值不会随着发光二极管电压的波动而出现大变动,但输入电压的变动则会较大。
若将方程式 [1]、[3]、[4] 及 [5] 结合一起,便可推算出以下的方程式:
PIN = ((N x VLED) + VFB) x IOUT
若以采用电感升压驱动发光二极管的驱动器来说,即使效率并非由发光二极管的电压决定,输入功率的大小在很大程度上取决于发光二极管的电压。效率并不是衡量整体功耗的可靠标准。另一方面,若以采用开关电容升压驱动发光二极管的驱动器为例来说
IOUT = N x ILED
若利用方程式 [1] 及 [2] 计算开关电容驱动器的效率,可以推算出以下方程序
E = (VLED) ÷ (VIN x G)
开关电容驱动器耗用的功率是:
PIN = VIN x IIN = VIN x G x IOUT
我们不要忘记开关电容升压驱动器的 G 是一个固定值。因此即使功耗不变,效率也会随着下降的发光二极管电压而下跌。
换言之,当新一代的低电压白色发光二极管推出市场时,发光二极管将不会减少开关电容升压驱动器所耗用的输入功率,但会减少电感升压驱动器所耗用的输入功率 (即使其效率保持不变)。如果利用电感升压驱动器驱动串行发光二极管可以发挥更高的效率,令不同发光二极管的电流更一致,而且也确保输出的电流更强大,那么为何开关电容驱动器仍大受市场欢迎?市场上似乎不应再有开关电容升压驱动器的需求。
其实电感器本身的问题,例如成本较高、体积较大及电磁干扰较多等缺点,远远超过电感升压驱动器的优点,以致开关电容升压驱动器仍有市场空间。但像 LM3500 这类新一代电感升压驱动器可能会弥补电感器的不足。LM3500 芯片只需四颗外置组件:两个小型电容器、一个电阻及一个电感器。旧式驱动器所需的外置二极管由内置式 MOS 开关稳压器取代。换言之,这样有助提高驱动器的效率。这款驱动器采用 2mm x 2mm 的 8 焊垫超薄 micro SMD 封装,因此占用更少印刷电路板的板面空间。
LM3500 驱动器采用 1MHz 的固定频率作业,可以提供更容易预测的频谱。对于蜂巢式行动电话来说,这点显得极为重要。比较过所有优缺点之后,结论是由于封装小巧的新一代电感升压驱动器可以发挥更高的效率,而较低压降的新一代白色发光二极管耗用较少功率,因此电感升压驱动器将会成为可携式设备的首选解决方案。