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LED背光照明系统的设计方案选项利弊分析

照明工程师社区 发布时间：2007-05-25 17:18

本文将为设计人员介绍各种基于LED的背光照明设计方案选项，以及提供在考虑成本因素和各种设计方法利弊的前提下，如何优化系统性能的指引。
　　LED正成为中小型彩色显示器背光照明应用的主流器件。LED的选择是决定显示子系统设计最佳性价比的关键因素。此外，LED驱动IC，尤其是最新的产品，能与较低成本的LED协同工作，透过多种方法提升现有LED的性能 。除亮度控制外，这些驱动IC还能实现精确的亮度匹配， 或允许使用一系列具备不同VF特性的LED。
LED驱动电路
　　设计人员在决定便携应用中LED驱动电路的最佳性价比时，可有几种选择，并取决于所设计系统的类型。某些系统侧重于成本，某些注重性能，而大多数则讲求必须达到成本和性能的平衡。系统设计的其中一个约束条件是可用电池功率和电压，其它约束条件还包括功能特性，例如针对环境光线作出调整及建立LED的架构（串连、并连或矩阵）。
　　作为生产工艺的一部分，LED可根据不同参数进行筛分，包括正向电压及特定正向电流时的色度和亮度。举例说，白光LED的正向电压范围通常为3.5V 至4V，典型工作电流为15mA 至20mA。当多个LED在一个背光照明设备应用时，这些LED通常都会进行匹配，以产生均匀的亮度。因此，LED制造商所提供经“差异筛选”或匹配的LED，在某个特定电压范围内其VF或其它参数都是匹配的。这些VF 差异通常为3.5~3.65V、3.65 ~3.8V ，以及 3.8~4.0V。
　　一般来说，LED的VF值是系统设计的重要变数。因为由普通电池供电的便携产品如蜂窝电话所使用单一的锂离子电池，其电压范围为2.7 至 4.2 V。如果将系统对电池工作电压的要求设计为不低于3V，设计人员就可以直接使用低至3V且未经稳压的电池电压来驱动LED。
　　其它经匹配的差异级别包括发光强度和色度。色度决定显示的颜色，大多与执行设计所使用的半导体工艺有关。电气工作条件对色度的影响很小。对于发光强度而言，筛选工艺可测量在给定正向操作电流下的发光强度。例如，QTLP601C-EB具有两种发光强度差异级别：I1 的8-16 mcd和I2 的13-26 mcd ，以及三种主要波长差异级别：W1 的 465-470 nm、W2的470-475 nm及W3的475-480 nm。所有差异级别都是通过5 mA正向电流测试下建立的。差异筛选工序会增添额外成本 。
使用LED驱动IC优化设计
　　目前，市面上已有能够驱动多个LED的驱动IC，所提供的功能包括电压提升以至驱动多个串联LED以便与每列包含一个或多个LED的多列LED进行电流匹配。特定驱动IC可提供独立于LED VF的精确电流匹配，使用这类IC可省去VF差异筛选的有关费用。另一项常用功能是亮度控制，有助于提供更多功能和改善电源管理。LED会消耗5-20 mA的电流。由于系统中有多个LED，故显示照明部分的功耗占据系统总功耗的重要部分。因此，亮度控制是一项重要功能，会直接影响功耗。较低亮度意味着显示背光照明的功耗较低。
多个LED的亮度匹配
　　将多个LED连接在一起使用时，正向电压和电流均必须匹配，整个组件才能产生一致的亮度。实现恒定电流最简单的方法，便是将经过正向电压筛选的LED串联起来。筛选工作可由LED供应商进行，以享有若干成本优势，又或可在用户的制造场所完成，但会减少筛选的产量和增加组装成本。筛选过程能够按照设计人员的匹配要求建立已匹配产品的差异等级。
成本考虑
　　手持设备显示器的照明通常需要4、6或8个LED驱动；显示器越大，所需LED的数量越多。可携式手持设备如PDA便需使用较多的LED。随着系统采用匹配LED的数量增加，有关成本也会因为所需的差异筛选工艺而相应增加。在这情况下，驱动IC提供了良好的解决方案。驱动IC除能控制亮度外，还能全面地匹配亮度，因而可透过具成本效益的途径提升系统性能。
最简单的驱动设计：串联
　　串联LED能确保供应至各个器件的电流一致。由于LED的VF通常在3.3V或以上，现今普遍的方法是将电压提升至12V以上水平，并驱动串联LED以获得一致的亮度。这就是采用基于电感的DC/DC设计，而不是电荷泵，因为后者不能有效地将电压提升至所需的电平。图1所示为驱动4个串联LED组件的典型驱动IC电路，它具有从LED到驱动电路的反馈功能和附加的调节电阻器，可以实现亮度调暗功能。
　　如果总体正向电压VF为12V的4个LED与16V驱动电路一起使用，就必须使用具有升压功能的简单LED驱动电路，以便为每个LED提供充足的电压，这驱动电路可将锂离子电池的2.7至4.2 v电压范围提升至16至17 v，用来驱动LED。这是传统的解决方案。由于经差异筛选LED的VF值存在一个变化范围，LED之间的压差会随之变化，有可能影响亮度的均匀性。
LED驱动IC选项
　　上面所述的亮度调暗是LED驱动IC的重要新增功能，可通过驱动电路为LED施加PWM调制脉冲，以获得总功率的10~100%。此举能节省功耗，同时也为最终产品提供用户可调节的功能。如前所述，显示器是损耗最多功率的子系统之一。例如，在16V电压下电流为15~20 mA的白光LED，其功耗为240~320 mW。而LED驱动电路的亮度调暗功能可降低整个系统的功耗，延长电池寿命。
　　现有驱动IC还具有其它功能特点， 包括软起动、短路保护，以及能将外围部件数减至最少的LED驱动电路。
并联设计选项
　　并联驱动是下一步要实施的方案。在并联设计中，多个LED由具备驱动器决定的独立电流电平的驱动电路来驱动。并联设计基于低驱动电压，因此无需带电感的升压电路。此外，并联设计提供低电磁干扰、低噪声和高效率，因而能延长电池寿命。另一个重要优点是这种配置的容错性较强。在串联设计中，一个LED发生故障就会导致整个背光照明子系统失效，而并联设计可避免这种个严重缺陷，提高系统的容错性。
有源电流匹配并联设计
　　现有两种用于并联配置的驱动IC：一种是具匹配VF的LED驱动IC；另一种是利用未匹配VF 的LED驱动IC。
驱动匹配的LED
　　图2a中的电路使用具有内部匹配电流源的LED驱动IC，来驱动并联的匹配LED。驱动IC在现有的3.3至5.5V总线电压下运行，LED的电流通过单一的外部电阻器来调节。由于不需要DC/DC转换进行升压，故无需采用外部电感，因此电路的电磁干扰和纹波可达到最小。如果电源电压稳定且经过稳压处理，VDD (VIN) 和Vcontrol便可连接在一起。最重要的是，无需为每个LED配备额外的电流设置电阻器来提高效率。如果有更高压的稳定电压，此电路还能为额外的串联LED提供匹配电流，但其电压必须至少为0.3V +N*VF，如图2b所示。
驱动未匹配LED
　　为了驱动未匹配的LED，并省去与差异筛选有关的成本，便需要使用可为每个LED提供独立电流控制环路的IC。图3所示为驱动白光、蓝光或任何多色LED的电路，并使用具有此项功能的IC来获得均匀亮度。LED可拥有广泛的VF分布，而驱动IC将均匀地匹配各电流以获得均匀的亮度，并可在现有的3.3至5V总线电压下运行。这些电路具有数字化亮度控制功能，由微处理器驱动的PWM来实现，功效高（>90%），而且不产生电磁干扰和纹波。
高效电路
　　图4所示为另一种使用未匹配白光LED的电路，可在通常无外升压线路的设备中，如移动电话使用。这个电路的驱动IC具有内置电荷泵升压，直接用锂离子电池驱动多达4个并联LED，并获得均匀亮度。
　　电路中的驱动IC会测量所有LED的VF，选出最高VF的LED，并将Vout提升至驱动这个最大VF LED所需的最低电平。该IC可驱动白光或蓝光LED，并获得均匀亮度。该电路可为每个LED提供独立的电流控制环路，因而无需进行LED预选或差异筛选。这是真正的数字化亮度控制（0、6、12、18mA），具有内置DC/DC转换的真正PWM控制，带来低噪声、低纹波和低电磁干扰。
矩阵设计：先进的白光LED驱动电路
　　矩阵设计驱动IC可为多个串联电路提供独立控制。采用高级LED驱动芯片，就可使用未匹配的白光LED，而其升压电路具有智能感应功能，可将电压提升至恰好足够的水平，以驱动具有最高总体VF压降的白光LED串联组件。这种自适应输出电压功能可将电感的体积减至最小，以便节省成本和占位空间。由于升压只提升至最低的电平，保证能满足任何串联信道所需的标称电流，因此能实现高效率。这串联驱动方案可以驱动两个独立的LED组件，各有四个串联LED，并具有独立的亮度控制功能。
　　每个串联信道具有独立的亮度控制，而且升压电路具有内置肖特基二极管，无需外部二极管，从而节省了电路板空间。内置升压电路的功效不低于90%，有助延长电池寿命，且具有软件启动功能、低电磁干扰和极少纹波等特点。各信道独立的LED控制使设计更为灵活，并只需一个驱动器即可同时驱动LCD和键盘。举例说，FAN5608驱动IC带有内置数字/模转换器(DAC)，具有模拟感应功能，可让用户选择使用模拟、数字或PWM方式控制亮度。该驱动IC集成了温度控制功能，可将LED使用寿命提高达50%。
根据应用选择合适的设计方案
　　LED背光照明应用有多种设计选项。视乎应用的不同，设计方案可以利用经差异筛选的低VF LED直接驱动，以至采用驱动IC来驱动未匹配的LED。现有的设计方案结合众多种类的LED和全线的驱动IC产品，能够优化系统成本、提高系统功效，以及通过有源亮度匹配和容错操作来达致更高性能。

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