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越來越多的便攜式消費電子產品配備了彩色顯示屏，例如手機、數碼相機、PDA、MP3、PMP播放器等，其中手機又占據了這個市場的絕大部分份額，從而導致了這兩年來中小尺寸顯示屏產業鏈的飛速發展。根據應用的不同，顯示屏會有不同的種類，例如TFT-LCD、CSTN-LCD以及OLED顯示屏，從市場的應用看，OLED顯示屏只是在折疊式手機的副屏以及MP3的市場上占有一定的份額，而市場的主流依然是TFT和CSTN，這兩種類型的LCD屏占據了現有的中小尺寸顯示屏出貨量的絕大部分。本文重點就中小尺寸的LCD顯示屏的背光驅動解決方案作一個分析介紹。
圖1：一種典型的串聯驅動電路。
背光驅動的技術分析
LCD顯示屏自身并不發光，為了可以清楚地看到LCD顯示屏的內容，需要一定的白光背光源。在中小尺寸LCD顯示屏中，一般采用白光LED作為顯示屏的背光源。白色LED背光電源由數個白光LED組成，如手機、數碼相機一般僅需要2到3個白光LED，而PDA和PMP則根據其顯示屏的面積，可能需要3到6個LED。對背光驅動電路的要求是：
1. 滿足背光的亮度要求；
2. 整個顯示屏亮度均勻(不允許有某一部分較亮、另一部分較暗的情況)；
3. 亮度可以方便地調節；
4. 驅動電路占PCB空間要小；
5. 工作效率高；
6. 綜合成本低；
7. 對系統其它模塊干擾小。
根據應用場合不同，系統設計者關注的重點可能會有所差別,例如對于低成本的產品方案，可能會把整個驅動電路的成本放在第一位；對于手機應用，白光驅動電路對其他模塊是否會產生EMI干擾則是要重點考慮的因素；而在MP3應用中，又有可能對EMI干擾不太關心。
圖2：一種LED開路保護電路。
白光LED驅動器基本上有兩種驅動方式：1. 采用電感升壓式DC/DC升壓變換的原理來驅動，所有的LED串聯接在一起，一般也叫做串聯型驅動方式；2. 采用升壓式電荷泵驅動電路，所產生的電壓一般在5V/4.5V或者是根據LED的正向導通電壓而自適應確定的一個電壓，所有的LED并聯在一起，一般也叫做并聯型驅動方式。
串聯驅動電路
從技術發展的角度看，串聯型驅動出現的比較早，技術上也比較成熟。以啟攀微電子的CP2126為例，典型的串聯型驅動電路如圖1所示。
以CP2126為例，一般而言，采用串聯方式使流過每一個LED的電流都一樣，則發光的均勻性好；同時由于其升壓原理，所產生的電壓依賴于LED導通指定電流時所需要的電壓，反饋電壓CS內部設定為95mV，可以計算出當需要15mA的LED電流時，R1的值應該為：
無論是驅動2個LED還是多達5個LED，都可以通過改變R1的電阻值靈活地設定LED的亮度，在SHDN引腳施加一定占空比的PWM控制信號，可以使LED的亮度從不亮到滿亮度之間無級變化。
圖3：兩倍電荷泵驅動電路。
在CP2126的設計中注意了兩個問題：
1. 避免了EMI的干擾問題
CP2126避免了一般的串聯型LED驅動電路中電感和大電流開關所產生的EMI干擾問題，對于諸如MP3、PMP之類的應用場合，這個問題可能影響不大，但是在手機應用中，EMI干擾會造成手機的接收靈敏度變差。CP2126通過優化內部電路的設計，避免了這個問題。表1對比了兩款串聯驅動芯片在相同的應用情況下，對手機接收靈敏度的影響。
可以看到，CP2126的工作與否對手機接收靈敏度的指標幾乎沒有影響，而芯片X在工作時，由于EMI的干擾造成了手機接收靈敏度的下降。同時，CP2126在輸入3.6V驅動3個白光LED的典型應用情況下，可以達到83%的轉換效率。
PCB設計也會對電路性能有比較大的影響。一般而言高頻部分的走線應該盡可能的短而粗，對地的過孔盡可能的大而多，在CP2126的相關資料中對此都有比較詳細的說明。
2. 內置輸出開路保護電路
在應用中，有可能出現LED的開路故障情況，在這種情況下，由于CS引腳的反饋電壓始終為0，如果沒有保護電路，這種升壓型的電路就會一直升壓直到內部的開關管被擊穿而損壞。所以，沒有內置開路保護電路的芯片會要求外部增加一個齊納二極管，利用它的擊穿來保護內部的開關管。保護電路如圖2所示。
圖4：混合模式控制原理圖。
顯而易見，這樣的保護電路又增加了系統的成本和PCB的面積，另一種保護方式是增加一個引腳，采用如SOT23－6L的封裝，對VOUT的電壓采樣并進行檢測。CP2126的設計可以保證外圍應用電路無須做任何改動，在LED開路的情況下芯片依然不被損壞，當故障狀態解除后，芯片又可以正常工作。
并聯驅動電路
雖然串聯驅動電路具備了效率高的優點，但是整體的解決方案需要一個電感和一個肖特基二極管，這又額外增加了系統成本，使得最終的綜合成本和并聯相比，并不一定有優勢。同時，貼片電感的體積較大，一般有5.2×5.2mm2大小，同時還有可能產生EMI干擾。
固定模式并聯驅動電路
早期的并聯驅動電路只是解決了LED所需要的電壓問題，它把電池電壓統一通過電荷泵的方式升壓到5V或者4.5V的這樣一個固定的電壓，然后每一個LED通過串聯一定的電阻阻值來控制LED的電流。
電荷泵電路的一個基本缺點在于，在給定的輸出電壓要求情況下，隨著輸入電壓的變化，轉換效率變化很大，理論上，兩倍電荷泵電路所能達到的最高效率為：
例如，當VIN=3.1V，VOUT=5V時，效率可以達到83.3%，由于內部器件的損耗，一般也可以達到80%以上。但是，當VIN=4.2V,VOUT=5V時，理論效率最高就只有59.5%。
圖5：CP2130/1/3的工作效率圖。
從圖3中可以看到，CP2128外圍元件只需要三個電容，根據驅動LED燈的數目的不同，需要1到5個電阻，和串聯驅動電路相比，雖然具有效率不高的缺點，但是外圍元件的成本和所占PCB面積都比較小，還可以說是一個成本相當低的解決方案。
混合模式并聯驅動電路
為了能夠和串聯驅動相抗衡，并聯驅動電路要重點解決兩個問題：一個是效率，一個是電流匹配。為了提高效率，非常有必要引入新的工作模式。在這種情況下，驅動電路所產生的輸出電壓不再是一個固定值，而是一個適當并且可以驅動LED的電壓值。
一般來說，白光LED在工作電流為20mA時，正向導通電壓一般在3.1~3.5V左右。鋰電池的額定電壓為3.6V或3.7V，充滿電后的電壓一般在4.2V~4.3V，鋰離子電池允許深度放電到2.7V，但是在實際應用中，一般手機設置的強制關機電壓為3.6V左右(不同整機廠商設定的強制關機電壓可能不同)。在電池充滿電后，這個電壓足以直接驅動LED，在這種情況下，電荷泵電路不工作，電池的電壓通過一個開關直接到VOUT然后驅動LED。而隨著電池的放電，電池電壓會逐步降低，當降低到一定程度不足以直接驅動LED時，電荷泵電路開始工作。所以集成多種驅動模式成為背光驅動的主流解決方案，即所謂集成1倍模式和1.5倍模式，并且在盡可能的情況下，讓電路工作在1倍的直通模式下。啟攀新推出的CP2130/1/3，很好的解決了這兩個問題。其中CP2130可以最多驅動5個LED，CP2131可以最多驅動3個LED，CP2133可以最多驅動4個LED。圖4為混合模式控制原理圖。
圖6：一種典型的混合模式驅動電路。
同樣，對于系統應用而言，最關心的指標仍是效率和LED電流匹配度。所謂效率，盡可能地工作在1倍模式能夠顯著提高整個電池工作電壓范圍的電源轉換效率。
1. 效率
對于關注的效率問題，CP2130/1/3實現了兩種工作模式自適應動態切換(即根據電池電壓和LED實際導通壓降判斷)，而不是固定電壓點切換(即只考慮電池電壓)，從而顯著提高了效率。只要電池電壓比LED的工作電壓高350mV至550mV(根據EN1和EN2的引腳設定不同而不同)時，CP2130/1/3就可以工作在相對效率較高的一倍模式下。
圖5所示為典型應用情況下CP2130/1/3的工作效率。可以看到效率根據工作模式的不同，是一個兩段的折線圖，80％的電池能量在3.6V~4.1V之間，在這個電壓范圍內可以獲得平均80%以上的工作效率。
2. 電流匹配度
和串聯驅動相比，并聯驅動要解決的一個重要問題就是各個LED間的電流匹配，由于LED的發光亮度是和它的工作電流相關的，不一樣的電流會導致顯示屏的亮度不均勻。對于并聯驅動的LED，在實際應用中，LED由于批次的不同和個體差異，在同樣工作電流情況下的正向導通壓降不同，可能會有50mV~200mV左右的電壓差值，這要求在設計內部的電流控制電路時需要考慮到這個差異。CP2130/1/3采用申請了國家專利保護的Auto-Mirror技術，可以使得各并聯白光LED電流匹配度幾乎不隨白光LED導通壓降的差別而變化。即使導通壓降差在50mV~200mV之間，LED的電流匹配度仍然可以達到2%以內。
圖6是一種典型應用情況，CP2130/1/3采用QFN 3*3mm2 16引腳的封裝，同時外圍元件相當簡單，只需要4個電容。
3. 支持PWM調光
目前調光方式主要有兩種，一種是通過改變LED的直流工作電流的方式來調整亮度，例如，有的芯片通過設置內部的寄存器來直接設置LED的直流工作電流，從而達到不同的亮度級，這種方式的缺點是可能會產生色移。所謂白光LED，其實是利用一種作為其管芯的藍光ＬＥＤ所發出的短波長紫藍光，激發涂布于輸出光學透鏡內壁的熒光材料，進而產生波譜較寬的白色復合光。在非額定電流工作情況下，LED所產生的光譜會有變化，導致最終的白光有色移。
表1：LED驅動電路對手機信號接收靈敏度影響的對比測試
而另一種方式就是PWM調光，利用人眼的視覺暫停原理，以一定的頻率和占空比來周期性的控制白光LED的導通電流在零電流到額定工作電流之間來回切換，從而調整亮度，這種調光方式就不會產生色移。在應用時，為了確保人眼看不到LED周期亮滅的情況，PWM調光的頻率一般要大于100Hz，CP2130/1/3可以支持0~50kHz的調光頻率范圍，這樣大大方便了系統的設計。并且由于芯片優越的環路控制特性，保證了調光過程的平穩，消除了可能潛在的噪聲干擾。
同時對于第一種調光方法，CP2130/1/3也設置了滿量程、2/3量程和1/3量程三個電流等級來實現直流調光方式。
