提高能源效率是當今世界最普遍的挑戰(zhàn)之一。由于新的能源標準越來越嚴格，消費者的意識不斷提升，消費電子產(chǎn)業(yè)也在不斷地向提高效率發(fā)展。對更高效率的需求推動創(chuàng)新企業(yè)開發(fā)更加智能的電源管理技術。其中，顯示器背光是發(fā)展最快的一個領域。無論是在移動電話、MP3 播放器、便攜式游戲機還是GPS系統(tǒng)中，LCD屏幕背后的光源使得這一切更多姿多彩。
為這些屏幕供電就像許多工程的挑戰(zhàn)一樣，根據(jù)具體應用形成了各種各樣的解決方案。在便攜式顯示器背光市場，一種更新、更智能的解決方案將徹底改變LCD屏幕的照明方式。本文將討論當今市場中比較常用的解決方案，并介紹更易于使用、需要更少外部元件、更低成本且具有更高效率的替代解決方案。
升壓WLED驅動器
在便攜市場中，鋰離子電池是最常用的一種電能來源。典型的鋰離子電池充滿電時的電壓約為4.2V。電池會隨著電流的消耗而放電，但是，大約80%的電池壽命在3.9V至3.5V范圍內(nèi)。只需要對LED提供約3.3V的正向偏置，就能使其發(fā)光。升壓LED驅動器可通過將較低輸入電壓（來自鋰離子電池）提升至較高輸出電壓（LED兩端）同時為多個LED供電。較高的輸出電壓用于使串聯(lián)的LED串正向偏置。升壓驅動器根據(jù)能夠承載的電壓，可以一次驅動多個LED。例如，如果開關晶體管的額定電壓為24V，那么，升壓LED驅動器可輕松使串聯(lián)的六個LED正向偏置（6x3.3VLED≈20V）。圖1示出有六個串聯(lián)LED的典型升壓LED驅動器。
圖1：有六個LED的典型升壓LED驅動器電路。
典型的升壓LED驅動器電路總共需要四個外部元件，即，一個輸入電容器（CIN）、一個輸出電容器（COUT）、一個電感器（L）和一個置位電阻器（RSET）。如圖1所示，LED電流由FB處電壓除以電阻（RSET）得出。升壓LED驅動器基本上是一個改良的升壓穩(wěn)壓器，能夠以較低反饋電壓降低通過RSET電阻器的電能損失。與升壓穩(wěn)壓器類似，這種拓撲結構使用電感器和內(nèi)部功率晶體管將能量轉移和傳輸?shù)捷敵龆耍∣UT）。因此，它也繼承了升壓穩(wěn)壓器的缺點，例如，輕載時效率低、開關噪音，以及有時由壓電效應引起的可聞噪音問題（由陶瓷電容器兩端的高交變電壓產(chǎn)生的噪音）。圖2示出典型升壓LED驅動器的效率曲線。
圖2：典型升壓LED驅動器的效率。
如圖2所示，用于驅動六個LED的典型升壓LED驅動器具有大約80%的峰值效率。該數(shù)值可因所用的電感器不同而有所不同。較大尺寸的電感器通常能夠提供更高的效率，但是需要更大的尺寸和更高的成本。LED電流較低時（調(diào)光過程中），由于開關損耗，效率會降低，這往往是使用升壓LED驅動器的一個缺點。低效率會根據(jù)應用情況造成潛在的能源浪費，但同時也留下了改進余地。如果選擇升壓LED驅動器作為解決方案，但大多數(shù)時間卻用于較低電流區(qū)域（低于20mA），那么，系統(tǒng)將會變得效率低下。假設系統(tǒng)設計者大部分時間以全亮度使用升壓LED驅動器，其效率能樣大部分鋰離子電池的壽命維持在80%，如圖2所示。為給定應用選擇適當?shù)腖ED驅動器固然具有挑戰(zhàn)性，不過，如果未能全面考慮所有參數(shù)，還將會損害便攜系統(tǒng)中寶貴的電池壽命。
電荷泵WLED驅動器
當前市面上的另一種LED驅動器是電荷泵LED驅動器。電路如圖3所示。
圖3：典型電荷泵LED驅動器。
電荷泵LED驅動器驅動并聯(lián)的各個LED。典型的電荷泵總共需要五個外部元件，即，一個輸入電容器（C1）、一個輸出電容器（C2）、兩個電荷泵電容器（Cx、Cy）和一個置位電阻器（RSET）。電荷泵優(yōu)于升壓穩(wěn)壓器的一點是，它使用兩個電荷泵電容器代替大型的外部電感器。另一個優(yōu)勢在于它輕載時的效率。由于輕載時無開關損耗，因此，電荷泵能夠在各種負載范圍內(nèi)維持較高的效率。當鋰離子電池電壓較高時，電荷泵處于旁路模式。在這種模式下，輸入電壓（VIN）通過電荷泵的內(nèi)部晶體管連接到輸出端（OUT）。當電池電壓低于使LED正向偏置所需的正向電壓時，電荷泵將激活。通過對串聯(lián)的電容器（Cx和Cy）充電，然后將它們并聯(lián)以提供能量，可使輸出端的電壓增大50%。這種電荷泵方法使LED能夠被完全偏置，即使電池電壓低于LED正向電壓也如此。但是，這要通過切換多個內(nèi)部開關來完成，而不理想的開關會造成能量損耗。例如，大多數(shù)情況下，電荷泵處于旁路模式，這時輸入電壓通過內(nèi)部開關連接到輸出端。只要LED打開，即使電荷泵未激活，開關中也會有能量損耗。電荷泵工作時，由于電容器充電和放電過程中以及開關中的能量損耗，使得它的效率極其低下。由于鋰離子電池壽命是從3.9V到3.5V，因此，在電池壽命幾乎耗盡時泵入電壓是徒勞之舉。電荷泵LED驅動器的固有問題是，它們在旁路模式下會浪費能量，并且在最終升壓階段效率低下。給定應用中某種解決方案的低效率會引導人們開發(fā)另一種沒有此類缺陷的解決方案。
Micrel線性LED驅動器系列（MIC2841A、MIC2842A、MIC2843A、MIC2844A、MIC2845A、MIC2846A）是高效、低成本且易于使用的解決方案，專為驅動便攜顯示器背光市場中的LED而設計。圖4示出典型的線性LED驅動器電路。
圖4：典型線性LED驅動器。
如圖4所示，MIC2844A直接從鋰離子電池（VIN）驅動并聯(lián)的LED，并且需要兩個外部元件：輸入電容器（C1）和置位電阻器（RSET）。D針腳（D1至D6）屬于低壓差線性驅動器，其專用于吸收電流值等于RSET設定的值的電流。由于LED的亮度取決于LED電流，因此在正常工作條件下，針腳之間的電流匹配設計為低于1.5%。這樣能夠確保整個LCD面板的亮度均勻。由于直接從鋰離子電池驅動LED，因此在D針腳處具有低壓差對于延長電池壽命來說非常重要。電壓隨著鋰離子電池放電而降低。為了確保LED完全偏置的時間達到最大值，每個D針腳處的壓差設計為在電流為20mA時低于40mV。例如，如果LED正向電壓為3.3V，那么鋰離子電池電壓可以低至3.34V，且仍可使LED完全偏置。線性LED驅動器的效率可通過下列公式計算：
效率=（VLED x ILED） / （VBATTERY x （ILED + ISUPPLY））
電源偏置電流 （ISUPPLY = 1.4mA） 將是系統(tǒng)中的唯一能量損耗，但為了使內(nèi)部電路偏置，這是必需的。將LED正向電壓（VLED=3.3V）、LED電流（ILED=20mA）和鋰離子電池電壓（VBATTERY=3.34V）值代入該公式，得到線性LED驅動器的效率最高可達92%。圖5示出線性LED驅動器的效率。
圖5：典型線性LED驅動器的效率。
由于鋰離子電池壽命主要是從3.9V到3.5V，20mA時正向電壓為3.3V的LED產(chǎn)生的線性LED驅動器效率將為85%到92%。這一效率比升壓LED驅動器提供的效率（如圖2所示）更高。由于線性LED驅動器所用的外部元件更少，因此，在當前情況下，線性LED驅動器是更明智的選擇。電荷泵和線性LED驅動器均驅動并聯(lián)LED，它們的效率似乎應該相似。但是，由于線性LED驅動器無內(nèi)部開關晶體管損耗，因此效率比電荷泵LED驅動器（無論其是否執(zhí)行泵工作）更高。如果鋰離子電池低于3.3V，大多數(shù)便攜設備將使用省電模式，這會減小LED電流。這反過來又會降低LED正向電壓，并使LED被完全驅動，即使電池電壓較低時也如此。這種機制使電荷泵無用武之地。由于大多數(shù)便攜系統(tǒng)設計為當電池電壓降至低于3.3V時關機，因此在此階段沒有必要對電池電壓進行電荷泵處理。考慮到大多數(shù)便攜電子產(chǎn)品的操作方式，這使線性LED驅動器超越當前市場上的所有其他解決方案。
本文小結
技術的發(fā)展正在將便攜電子產(chǎn)業(yè)不斷推向前沿。只要存在改進機會，就會出現(xiàn)新的解決方案以取代舊的解決方案。LCD背光市場中存在各種各樣的解決方案，但其中只有一種能夠推動行業(yè)向前發(fā)展。Micrel線性WLED驅動器系列專門針對便攜應用而設計，其中，效率、尺寸和成本是最關鍵的考慮因素。該系列線性驅動器僅需要一個電阻和一個電容器，便能夠保持最高的效率（高達92%），最小的解決方案尺寸（MIC2844A封裝為2mmx2mm）和最低的成本。這些線性LED驅動器不僅在這三大關鍵方面都具備優(yōu)勢，同時還保持靈活性和易用性。借助高于1.5%的匹配度和可用的PWM及數(shù)字調(diào)光控制，Micrel線性WLED驅動器系列將揭開便攜電子領域中WLED驅動方式的革命序幕。
作者：黃幸斌 （Brian Huang）
應用工程師
Micrel公司