一種手機與PDA應用LED照明驅動電路的設計和實現

由于具備高照明效率、長效性與小體積，LED已成為便攜式設備，如移動電話與PDA等的必然選擇，約0.1W的低功耗白光LED目前正廣泛應用在LCD顯示面板的背光與鍵盤照明上，當然也可通過連接多顆LED帶來較高的亮度作為臨時照明或閃光燈等應用，而可達1W的高功率LED則應用在配備兩百萬像素，甚至更高分辨率的拍照手機中來支持黑暗環境中的拍照功能。除白光LED外，RGB（紅、綠、藍）光LED也經常被用來強化移動電話的質感，通過三種色彩精確適當地混和，RGB LED可創造出豐富多樣的色彩。

　　在指示應用上，當有來電或信息時可以讓彩色LED閃爍，或利用色彩來顯示發話者的身份，例如自行定義的群組，如朋友、家人或業務往來的來電，這項功能不僅為移動電話帶來個性化，同時在非常吵雜的環境中也相當有用。為進一步強化使用者的影音感受，RGB LED也同時用來產生許多吸引人的發光效果，其中一個例子是將RGB的發光動作與響鈴的旋律或MP3音樂加以同步，另外一個RGB發光的有趣應用則是日本松下公司的Feel Talk功能，由于RGB LED被安排在移動電話的機殼下方，因此可以依使用者的心情顯示不同的色彩

　　主要白光LED供應商

　　目前廣泛應用在可攜式設備LCD與鍵盤背光的白光LED,是由日商日亞（Nichia）化學公司于1996年推出，透過以淡黃色螢光物質涂布在氮化鎵（GaN）與銦氮化鎵（InGaN）材質的藍光LED上來達成白光的效果。另外，藍光與綠光LED的發展則擴展了LED色彩輸出的豐富度。

　　然而，在上世紀90年代末期，日本、美國與歐洲等地主要LED制造商間的多重專利侵權問題阻礙了新制造商進入這個市場的可能性。但幸運地是，這些法律訴訟逐漸透過相互授權協商獲得解決，部分制造商如Nichia、ToyodaGosei、Cree、PhilipsLumileds與OSRAM等更在當時確立了其領先地位。除此之外，數年前臺灣與南韓兩地的新進廠商開始崛起，并在過去2年逐漸嘗到了營業額高度增長的成果。

　　LED效能大幅提升

　　在大量資金投注LED開發后，白光LED的照明效率比起剛發明時有了大幅度的改善，目前市場上最佳的白光LED照明效率可以達到100lm/W,相當接近日光燈管，而一些領先公司也嘗試在藍光LED上使用不同的涂敷物質，并推出更佳發光效率的設計方案，因此提供面板背光所需的LED數目將持續下滑，目前移動電話上標準LCD面板所需的背光LED大約為2~4顆，而PDA或智能型手機上LCD面板的背光則需要6~10顆。在進一步討論LED背光與閃光燈的驅動電路結構與新功能前，先回顧一下移動電話與PDA中廣泛使用的LED以及電池的電氣特性。

　　依不同制造商所采用技術的差異，LED的正向電壓（Vf）大約在2.7~4V之間，通常高功率LED擁有高達4.9V的較高正向電壓，因此LED驅動電路就必須提供足夠的正電壓以便讓LED以正向偏壓的方式發光。當采用多顆LED來提供背光時，在驅動電路設計上應考慮正向電壓間的差距，為了得到相同的照明強度，也就是讓不同的LED發出相同的色彩，設計工程師必須確保流經每顆LED的正向電流能夠相同，低功率LED通常采用20mA的正向電流，最大約為25mA,目前市場上的高功率LED則能以高達1.5A的脈沖電流來驅動。

　　目前手機與PDA中最常見的電池型式為鋰離子或鋰高分子可充電電池，采用鋰材料的可充電電池標準電壓在3.6V到3.7V,工作電壓則為4.2V到3.2V,為了確保能夠安全運作，這類型的鋰材料電池只能夠在1C的范圍內充電或放電，其中C為電池的規格容量，例如1,000安培小時（mAh）的電池最高放電電流為1A,手機通常使用的電池容量大約在650mAh到1000mAh之間。采用不同陰極材料的新型態鋰離子電池已經進行開發以便改善電池的效能，在使用這類電池組時，設計工程師應該要遵守電氣規格上的限制并隨之調整驅動電路。

　　現在就讓我們進一步研究LED在LCD背光、裝飾光源與相機閃光燈中的應用。

　　LCD背光

　　在使用最高前向電壓為3.4V到4V的LED時，由電池提供的輸入電壓必須相等或高于所需的驅動電壓，因此需要一個具有穩定電流功能的升壓式轉換器來推動以串聯或并聯方式連接的LED.

　　充電泵/切換式電容轉換器充電泵轉換器目前廣泛使用在LCD的背光驅動上，與采用電感式的升壓式轉換解決方案比較，充電泵驅動電路由于具備較低的成本、較薄的厚度以及較低的雜訊特性而成為較佳的選擇，新推出的積體電路設計已經逐漸改善充電泵驅動電路的效率，目前最高效率可超過93%,平均則大約在80%.

　　漸進式亮度變化與情境式照明漸進式亮度變化主要應用在可攜式設備啟動或關機時以創造劇場式的照明效果，在啟動時，背光電流會依照預先設定的時間間隔以步階方式逐步放大到20mA,同樣地，在關機時則采用相反的動作逐步降低，透過微處理器的幫助，可利用將具備不同頻率的PWM訊號送到LED驅動電路的啟動接腳來實現這種效果，以特定時間間隔將LED電流用多重步階的方式加大或降低，不過這個方法卻有耗費即時處理器資源的缺點，因此在如NCP5602與NCP5612等LED驅動晶片產品上就將這個功能內建在晶片中（圖1）。

圖1：典型的2顆LED式充電泵驅動器應用