基于低压差线性LED驱动器的手机背光解决方案

只看该作者 · 2020-3-4 22:50

目前主要采用白光LED作为手机屏的背光。由于不同供应商提供的屏尺寸和规格不同，所以背光驱动的方式和背光驱动芯片也不一样。但当前使用背光芯片主要有两种，一种是驱动串联LED或者OLED的升压芯片，另一种是驱动并联LED的电荷泵芯片。

对于串联LED背光，需要根据串联LED的个数，把锂电池电压升压到不同的电压。对于OLED背光，一般要求把锂电池升压到12V。这两种应用都需要升压芯片进行背光驱动。Sipex公司的SP6690最多可以驱动8颗串联的LED(图1a)。目前升压驱动芯片的效率在75%到85%之间，并且可以保证发光亮度一致，但要求使用一个储能电感，因此会带来一定的电磁干扰问题。

对于并联LED背光应用，Sipex公司的 SP6683电荷泵最大可以输出300mA驱动电流，以驱动到10颗并联的LED(图1b)。Sipex的电荷泵驱动芯片是恒流LED驱动，可以工作在1 倍模式和1.5倍模式，在1倍模式下的最高效率可达92%，在1.5倍模式下的效率为60%~70%。电荷泵的工作原理是以很高的开关频率对电容充放电来实现电能转化，根据输入电压自动切换降压和升压模式，因此它无需外加电感，而是通过电容来存储能量。

随着LED技术不断进步，LED导通压降在不断下降。如图2a和图2b所示的SP7611A和SP7612应用电路，可分别驱动4颗LED和3颗LED，SP7614A则可以驱动2颗LED。

图1：(a) SP6690的背光应用电路图；(b) SP6683的背光应用电路图。

下面以SP7611A为例，介绍低压差线性 LED驱动芯片SP761x系列的应用。低压差线性LED驱动芯片与传统LED驱动芯片不同，它们不需要对手机的聚合物锂电池电压进行升压来点亮LED，而是一种基于降压的恒流LED驱动芯片。如图2a所示，SP7611A是灌电流的LED驱动芯片，流过LED的电流和设置电阻Rset上的电流成比例，同时流过LED上的电流还和LED正向导通压降Vf以及LED的阴极电压有关。

最大优点在于应用简单，外围电路只需一个用来设置电流的电阻。当LED阴极到地的电压VLED≤300mV时，流过LED的电流为：

ILED＝200×(VCONTROL－VCTRL)／Rset

图2：(a) SP7611A的背光应用电路图；(b) SP7612/12A的背光应用电路图；(c) 通过两个GPIO端口和两个电阻调节背光亮度的示意图。

当LED阴极到地的电压VLED≥500mV时，流过LED的电流为：

ILED＝435×(VCONTROL－VCTRL)／Rset

其中200、435是电流的放大倍数。从此可看出，LED电流等于流过Rset的电流乘以一个放大倍数，而这个放大倍数与LED的导通压降有关(如图3所示)。

图3：LED电流的放大倍数跟LED的导通压降的关系曲线图。

在手机背光应用中需要调节亮度，SP761x系列的LED驱动器可以通过多种方式来调节亮度：

1. 模拟调节。如图2a所示，可以调节给定电压VCONTROL或者电流设置电阻Rset的大小来调节LED电流，达到控制亮度的目的。

2. 数字调节。在电压VCONTROL和电流设置电阻给定的情况下，可以通过管脚CTRL输入PWM信号来调节亮度。PWM信号可以通过手机平台的GPIO口输出，由软件设置PWM的占空比以达到控制亮度的目的。这个PWM信号的最高频率可达1MHz，但考虑到目前LED的响应速度不会超过10kHz，所以推荐频率为500Hz~1.5kHz。

表1：GPIO端口的设置表。

3. 通过两个GPIO端口和两个电阻，分成6个档次来调节背光亮度，如图3c所示。GPIO端口可以参照表1来设置，其中R1大于R2，具体阻值可以根据实际应用情况来设置。

效率也是手机背光应用中比较重要的一个参数。背光效率最准确的算法应该是用消耗在LED上的能量除以输入能量。由于SP761x系列低压差线性LED驱动芯片的工作漏电流非常小(uA级)，所以流过所有LED的输出电流可以近似等于输入电流，总体效率等于LED的导通压降Vf与输入电压(即电池电压Vbattery)的比值。

Eff＝100×Vf／Vbattery

推荐LED的导通压降小于或等于3.2V，取Vf=3.2V，则效率如表2所示。当电池电压小于3.6V时，整体背光效率高于90%；当电池电压为4.2V，最低效率也有76%。目前手机用锂电池的工作范围在3.4V到4.2V之间。

大约有20%的电池能量集中在 4.2~4.0V之间，70%的能量集中在4.0~3.5V之间，剩余的10%左右的电池能量集中在3.5V电压以下区间，因此电池电压从 4.0~3.5V区间的效率最重要。SP761x系列的效率为80%~91.4%，且电池电压越接近LED的导通压降，其效率越高。

与升压驱动芯片和电荷泵芯片相比，低压差线性 LED驱动芯片SP761x系列的效率并不逊色，并且在电池电压降低的情况下具有更好的性能。在电池电压降低的情况下，SP761x系列的背光效率反而升高，而升压驱动和电荷泵驱动芯片此时的背光效率将下降。虽然目前升压驱动芯片和电荷泵驱动芯片可以达到90%以上的效率，但是整体背光效率在 75%~85%之间，且需要电感或者电容等储能元件。

低压差线性LED驱动SP761x系列是共阳极的恒流LED驱动芯片，无须储能元件，外围简单，仅需要一个电流设置电阻，就可以通过模拟或数字方式调节背光亮度。它最高具有90%以上的效率，整体背光效率可达85%左右。