- LED亮度控制
- 白光LED和電池技術(shù)
- 背光照明驅動(dòng)器的拓撲
- RGB-LED背光照明
- 鍵盤(pán)背光照明和其他裝飾燈光
如今，大部分便攜式設備尤其是移動(dòng)電話(huà)中的鍵盤(pán)背光照明以及其他裝飾燈都傾向于采用個(gè)性的設計方式。然而，顯示屏的背光和鍵盤(pán)的背光在要求上是不同的，而且這分別會(huì )影響到相關(guān)LED的驅動(dòng)方法。
現在大部分的便攜式電子產(chǎn)品，如移動(dòng)電話(huà)、個(gè)人電子手帳、導航系統等，都擁有一個(gè)需要背光照明的小型LCD顯示屏作為用戶(hù)界面。人們用這些設備來(lái)觀(guān)看高分辨率的相片、影片和上網(wǎng)瀏覽的時(shí)間亦越來(lái)越長(cháng)。這樣，人們對具備媒體存儲能力的高質(zhì)亮顯示屏的需求變得越來(lái)越強烈，對背光LED和驅動(dòng)器技術(shù)的挑戰也就越大?，F今，雖然白光照明LED主導了市場(chǎng)，但新涌現的紅綠藍(RGB)背光可改良顯示屏上的色彩飽和度，因此前景無(wú)限。
LED和鋰離子電池的改變將會(huì )影響背光驅動(dòng)電路的設計。并且，在便攜式設備上增加LED的數目會(huì )造成LED驅動(dòng)設計上的挑戰。最常見(jiàn)的挑戰包括電源效率、控制界面/可編程能力、方案的大小尺寸、電磁干擾(EMI)和系統成本等。
亮度控制
背光照明LED的亮度控制可經(jīng)由脈沖寬度調變(PWM)或恒流控制來(lái)實(shí)現。PWM亮度控制需動(dòng)用一個(gè)恒流驅動(dòng)器來(lái)驅動(dòng)LED，但需要調節開(kāi)/關(guān)時(shí)間才能達到所需的光度。因此PWM控制比直接的恒流控制更加復雜。
恒流控制的好處是沒(méi)有了連續的開(kāi)關(guān)動(dòng)作，因此進(jìn)行亮度調校時(shí)，由LED色譜位移而引致的EMI較低。LED制造商將LED按照“群集電流”來(lái)分組，并確保LED的表現不會(huì )降低。當群集電流改變時(shí)，LED的亮度變化會(huì )多于設定的規格，因此肉眼能分辨出背光照明LED之間的不同亮度。當使用很低的電流時(shí)，上述情況尤其明顯。
如果使用PWM來(lái)控制亮度，那亮度調節便會(huì )在整個(gè)范圍內呈線(xiàn)性，而且被調節時(shí)不會(huì )產(chǎn)生顏色上的變化。不過(guò)，PWM的變換會(huì )產(chǎn)生電磁干擾和可聽(tīng)得到的噪聲。該噪聲是由陶瓷電容器的壓電效應所產(chǎn)生。為了免除這可聽(tīng)噪聲，PWM的頻率必須高至人耳收聽(tīng)不到的水平，如20kHz。另外一個(gè)方法便是使用很低的頻率，令應用中的電容器和電路板不會(huì )產(chǎn)生共鳴，并保證不會(huì )產(chǎn)生出可聽(tīng)到的“啪啪”聲(如250Hz)。通過(guò)減慢PWM控制的上升/下降沿可有助削減電磁干擾的強度。
背光照明驅動(dòng)器的拓撲
驅動(dòng)器拓撲可以分為并聯(lián)和串聯(lián)兩種。當每一個(gè)LED均需要做個(gè)別控制時(shí)，會(huì )使用并聯(lián)驅動(dòng)。在背光照明的應用中，所有LED的亮度應該是一致的。但如果使用并聯(lián)驅動(dòng)器，LED電流之間可能會(huì )出現輕微的失配。幸而，配合最新的驅動(dòng)器后，這種電流失配就變得微不足道了。因為這些LED的典型亮度容差一般比輸出電流中的失配大很多。
當背光照明LED串聯(lián)在一起時(shí)，相同的電流會(huì )流通所有LED，使得LED電流間出現百分百的匹配。此外，采用串聯(lián)驅動(dòng)后無(wú)須為每個(gè)LED進(jìn)行個(gè)別的驅動(dòng)器布線(xiàn)，所以PCB布線(xiàn)變得更容易。由于驅動(dòng)器輸出的正向電壓已考慮到了數個(gè)LED，因此串聯(lián)驅動(dòng)法比并聯(lián)驅動(dòng)法稍勝一籌。串聯(lián)驅動(dòng)需要高壓的升壓轉換器(如20V)來(lái)從鋰離子電池中提取足夠的電壓以驅動(dòng)數個(gè)串聯(lián)LED。
驅動(dòng)LED的最普遍方法是用低邊驅動(dòng)器輸出，LED輸出腳可作為一個(gè)恒流下沉(constantcurrentsink)。在這情況下，LED輸出和電源電壓需要獨立的布線(xiàn)。如采用高邊驅動(dòng)器輸出，那LED的輸出腳便成為電流源，同時(shí)只有LED接腳要布線(xiàn)，LED陰極則直接接地。通常，在PCB處都有一個(gè)接地面，因此無(wú)須進(jìn)行獨立的布線(xiàn)。圖1所示為不同驅動(dòng)方法。
圖1并聯(lián)高壓側和串聯(lián)低壓側驅動(dòng)[page]
白光LED和電池技術(shù)
便攜式設備一般都用一枚鋰離子電池來(lái)工作，其電壓視所需的電荷介乎2.8～4.3V之間。白光LED正向電壓一般為3.5V，這是單一的鋰離子電池通常不能驅動(dòng)的，因此需要采用升壓式DC/DC轉換器。轉換器可以是電容式(電荷泵)或電感式(磁力升壓)。由于電荷泵的體積較小，一般都會(huì )用在并聯(lián)LED驅動(dòng)器上。至于磁力升壓轉換器，一般都會(huì )用于高壓的串聯(lián)驅動(dòng)器內，原因是電荷泵技術(shù)所能達到的輸出電壓還不夠高。轉換器輸出電壓的調節可以通過(guò)LED正向電壓的感應來(lái)自動(dòng)(適配性)履行，或者用戶(hù)可根據LED正向電壓的規格來(lái)設定一個(gè)恒壓。
未來(lái)，新型鋰離子電池和LED技術(shù)將會(huì )為L(cháng)ED驅動(dòng)帶來(lái)新的挑戰。配合最新的化學(xué)成果，電池電壓的范圍將擴大到2.3～4.7V，而典型的白光LED正向電壓將會(huì )下降至2.9V。與此同時(shí)，輸出驅動(dòng)器的飽和電壓都會(huì )隨著(zhù)下降。當采用并聯(lián)驅動(dòng)時(shí)，要高效地驅動(dòng)一個(gè)2.9V的LED，就需要動(dòng)用一個(gè)升降壓轉換器。圖2所示為由電池、驅動(dòng)器和LED技術(shù)的進(jìn)步所帶來(lái)的效果。
圖2電池和白光LED正向電壓的技術(shù)進(jìn)展
RGBLED背光照明
一般而言，小型LCD顯示屏背光照明都是用一組白光LED來(lái)實(shí)現的?？墒?，使用白光LED的問(wèn)題是其光譜對光復制并不是很理想。原因是白光LED其實(shí)就是在藍光LED面上加上一層黃色磷光劑。這樣便造成光譜有兩個(gè)波峰，一個(gè)在藍色而另一個(gè)在黃色。圖3給出一個(gè)典型的白光LED與RGBLED光譜比較。
圖3典型白光LED與RGBLED光譜的比較
LCD顯示屏會(huì )劃分為三個(gè)主色區格：紅、綠和藍，色彩是由這三種主色混合來(lái)定義。要把適合的顏色過(guò)濾到每一個(gè)色格，那便需要使用顏色過(guò)濾器。顏色過(guò)濾器會(huì )浪費大部分的光學(xué)能量，即使在過(guò)濾后也一樣，因此穿過(guò)LCD后的色譜并不理想。如此一來(lái)，采用白光LED背光照明可以在LCD屏面上產(chǎn)生出最多75%的NTSC(美國國家電視標準委員會(huì ))色彩(傳統LCD顯示屏上的紅色端邊處的限制尤甚)。然而，當使用RGBLED來(lái)做LCD顯示屏的背光照明時(shí)，色彩復制可以覆蓋100%的NTSC色彩，從而令到顏色更光亮、畫(huà)質(zhì)更高。假如配合優(yōu)化的顏色過(guò)濾器，那所浪費的能耗可比白光LED背光照明來(lái)得更少。圖4所示為一個(gè)LCD顯示屏的結構。
圖4LCD顯示屏的構造[page]
使用RGB背光時(shí)，當LED溫度改變時(shí)，驅動(dòng)器必須更正紅、綠和藍三主色間的亮度平衡，以防出現白點(diǎn)位移。此外，還需保證驅動(dòng)器在任何操作溫度下維持光的正確強度。而在補償方面，可以用閉環(huán)或開(kāi)環(huán)形式。若使用閉環(huán)補償，便需采用感光器來(lái)測量白點(diǎn)和其強度。相反地，如使用開(kāi)環(huán)補償，那溫度便需事先量度出來(lái)，并通過(guò)預先定義好的補償曲線(xiàn)來(lái)調節亮度的平衡。
美國國家半導體的LP5520就是RGB背光照明驅動(dòng)器的一個(gè)例子，它是一個(gè)開(kāi)環(huán)補償式LED驅動(dòng)器。圖5所示為開(kāi)環(huán)顏色補償的原理。其中，溫度補償曲線(xiàn)是用現實(shí)應用中的RGBLED來(lái)量度的，這些曲線(xiàn)被編程在芯片內部的EEPROM存儲器中。該芯片被集成到LCD顯示模塊上，而模塊的制造商會(huì )在生產(chǎn)時(shí)為補償曲線(xiàn)編程。此外，RGBLED背光亦可用作優(yōu)化顏色過(guò)濾器。
圖5開(kāi)環(huán)顏色補償的操作原理
鍵盤(pán)背光照明和其他裝飾燈光
與顯示屏背光照明比較，鍵盤(pán)背光照明擁有一些特別的要求。鍵盤(pán)背光照明所要求的顏色不一定需要白色，可以是其他任何顏色。時(shí)下，便攜式設備中的鍵盤(pán)照明和其他裝飾燈的設計趨向是產(chǎn)生更多的燈光效果。顯示屏的背光控制通常都是采用淡入/淡出的開(kāi)/關(guān)方式，但裝飾燈的控制則比較復雜。通過(guò)采用RGBLED作鍵盤(pán)的背光照明，只要簡(jiǎn)單地改變紅、綠和藍LED間的亮度平衡，便可改變顏色和設備的整個(gè)外觀(guān)。這樣，設計人員便可憑借軟件控制來(lái)為便攜式電話(huà)或其他便攜式設備加添獨特的個(gè)性。
對于一些復雜的照明次序，諸如不同顏色間的漸變，除了需有一個(gè)簡(jiǎn)單的生效控制接腳外，還需用到一個(gè)比較精密的控制方法。在這方面，I2C控制總線(xiàn)便被廣泛應用到各式便攜式設備上，原因是它只需通過(guò)兩條電線(xiàn)便可為控制LED驅動(dòng)器提供很大的靈活性。再者，LED控制不會(huì )應用I2C的所有頻寬，因為實(shí)時(shí)控制LED的亮度會(huì )產(chǎn)生出一定程度的I2C傳輸量。
新LED驅動(dòng)器，例如美國國家半導體的LP5521，可以通過(guò)加入內部存儲器和執行核心來(lái)為有次序的照明提供最低限度的實(shí)時(shí)控制。照明次序在通電后會(huì )寫(xiě)入一個(gè)內部的存儲器，之后外部的觸發(fā)器接腳或I2C寫(xiě)入會(huì )用來(lái)啟動(dòng)這個(gè)照明次序。當照明次序在運行時(shí)，無(wú)須進(jìn)行處理器的控制。例如當電話(huà)處于備用狀態(tài)時(shí)，應用處理器可以進(jìn)入休眠模式，但LED仍可履行復雜的照明次序。這些次序可包括時(shí)延、上下走動(dòng)、閃爍、回轉和觸發(fā)信號的收/發(fā)。
為了進(jìn)一步減低功耗，最新的LED驅動(dòng)器均擁有一個(gè)自動(dòng)節能操作模式。其中的DC/DC轉換器只有鋰離子電池的電壓不足以提供給LED時(shí)才會(huì )被啟動(dòng)。此外，當照明次序于內部運行時(shí)，驅動(dòng)器還可在LED不活躍時(shí)關(guān)閉所有不需要的功能，此舉可顯著(zhù)減低電流的平均消耗量。
配合微小的LED驅動(dòng)器，可創(chuàng )制出分區化照明方案，也就是說(shuō)將LED驅動(dòng)器放到LED的附近。這樣，進(jìn)行PCB布線(xiàn)就更容易，而且還可減輕電磁干擾的問(wèn)題。針對分區方案的驅動(dòng)器會(huì )設有外部的控制接腳，以用來(lái)同步化多個(gè)驅動(dòng)器，從而造出有趣的燈光效果。
對于驅動(dòng)背光照明LED而言，這里有幾種驅動(dòng)器拓撲，具體選擇要視應用而定。毫無(wú)疑問(wèn)，即將出現的全新鋰離子電池技術(shù)和更低正向電壓的白光LED必會(huì )為驅動(dòng)器的設計帶來(lái)新的挑戰。
用做LCD顯示屏背光照明的RGBLED一般都會(huì )應用在高檔的便攜式電話(huà)或其他設備上，這些應用均要求高素質(zhì)的畫(huà)面和顏色復制。此外，配合適當的驅動(dòng)器、LED和顏色過(guò)濾器，采用RGB背光照明比白光LED更省電。
可編程性是時(shí)下最先進(jìn)的鍵盤(pán)背光照明驅動(dòng)器的一個(gè)主要功能，除了較易控制外，還能節省系統能耗。此外，可編程LED驅動(dòng)器還可為個(gè)人化的便攜式電話(huà)創(chuàng )造出更多有趣的燈光效果。
