如何選擇低成本高性能的WLED 驅動器

前言

目前手機彩屏背光主要采用白光LED（WLED），WLED驅動器的功能就是要向WLED提供恒定電流，減少電池電壓變化時所引起LED亮度的變化以及不同LED之間的亮度不匹配。

這樣的WLED驅動器隨著時間的不同，不同的架構先后在手機中得到了大規模的應用。從2003～2005年，在手機中流行使用的是電感升壓型WLED驅動器；2005～2007年大規模使用的是分數電荷泵型WLED驅動器；到2007年初嶄露頭角、2008年逐步流行的低壓降恒流型WLED驅動器，經歷了一系列的發展歷程。如何選擇合適的WLED驅動器？下面將逐步分析，以便從WLED驅動器演變的過程中去尋找合適架構的LED驅動器。

串聯電感升壓型WLED驅動器架構

圖1.串聯電感升壓型LED驅動器典型應用圖

如圖1所示，串聯電感升壓型WLED驅動器比較方便的通過一個電阻就設定了一串WLED的工作電流。但是它的最大問題在于：由于使用了電感來進行升壓（boost），電感是通過把電能轉換成磁能來儲存能量的，在工作過程中，不停的進行電磁轉換、這樣就可能產生電磁輻射和電磁干擾，從而影響手機中的射頻模塊工作。例如：手機的接受靈敏度指標可能在背光模塊工作時受到影響而下降，這樣在基站信號不強的區域，背光模塊的工作可能會導致通話質量的下降，導致用戶對手機品質的抱怨。

分數電荷泵型WLED驅動器架構2005年開始，手機中逐步流行分數電荷泵WLED驅動器，其基本架構如下：

圖2.分數電荷泵WLED驅動器典型應用圖

通常這種分數電荷泵型WLED驅動器都是多模式的，可以自動根據WLED的正向導通壓降（VF）和電源電壓，來自動決定驅動器所需要的工作模式，比如，當WLED的VF為3.3V時，電池電壓在3.8V以上，通過內部的模式判斷電路，驅動器可以停留在1X工作模式下，當電池電壓下降到不足以維持WLED的設定電流時，通過電荷泵達到升壓增強驅動能力的目的。

這種分數電荷泵型WLED驅動器的好處在于：消除了電感，減少了對手機射頻電路的干擾，用廉價的電容儲能來代替電感儲能，外圍元件的成本也進一步降低。這種芯片的封裝一般為QFN3mm×3mm16L的封裝。分數電荷泵型WLED驅動器的工作有一個特點：在理想情況下，輸出80mA的驅動電流時，當工作在1X模式下，電源消耗電流的為80mA（考慮到芯片內部其他電路的消耗，電流一般小于81mA）；當工作在1.5X模式下，電源消耗的電流突變為120mA（考慮到芯片內部其他電路的消耗以及開關損耗，電流一般在123mA左右），當工作在2X模式下，電源消耗的電流突變為160mA。

因此，從分數電荷泵型WLED驅動器的效率曲線上，通常會看到一個或者兩個突變點。因此，對于分數電荷泵型WLED驅動器，如何盡可能降低模式切換時所對應的電源電壓，延長驅動器在1X模式下的工作時間，才是提升整體效率的關鍵。例如：圖3所示的分數電荷泵型WLED驅動器，在電源電壓低于3.75V時就要退出1X工作模式，因此，它最終所表現出來的整體效率和一個電源電壓低到3.5V才退出1X模式的電荷泵型WLED驅動器整體效率會有很大的差別。

圖3.分數電荷泵型WLED驅動器效率折線圖

圖4.分數電荷泵型WLED驅動器電源電流和工作模式關系

低壓降恒流型WLED驅動器架構

隨之發光LED的工藝改進，WLED的正向導通壓降在下降。圖5為2006年一款Nichia公司NSSW100CTWLED的I-V曲線，從圖中可以看出提供20mA電流的WLEDVF僅為3.2V左右。目前，基本上手機中普遍用到的WLED的正向導通壓降一般在3.0～3.2V之間。

圖5.NichiaWLEDI-V曲線

隨著WLED的VF持續下降，驅動WLED是否還需要升壓？結合鋰離子電池的特性和實際應用的情況來分析這個問題。目前手機使用的電池都是鋰離子電池，鋰離子電池的特點為額定電壓3.6V，充滿電后為4.2V。

在手機工作時，電池不斷放電，電池電壓不斷下降，電池放電的電流不同，電壓下降的曲線速率也不同，一般來說，在電池電壓3.5V～4.2V之間集中了90%的電池能量。

圖6.電池能量分布概圖結合這種實際情況，一般手機的工作設置為當鋰離子電池放電到一定程度時，會通過軟件的設置為不能通話或者強行關機。深度放電對鋰離子電池的壽命會造成不可逆轉的損傷，因此關機電壓一般設置為3.5V左右。而這時，如果考慮到WLED的VF在3.0V~3.2V之間，實際上驅動WLED可以不再需要升壓。

圖7.低壓降恒流型AW93013LED驅動，一線調光AW9301就是這樣一款低壓降恒流型芯片，它采用了專利的Q-MirrorTM架構，僅需要40mV的恒流源壓降即可保證20mA的WLED電流。也就是說，當WLED的VF為3.1V時，只要電池電壓高于3.14V，即可保證WLED的電流恒定不變，從而保證背光的亮度不變。

在驅動3個WLED或者2個WLED的時候，SOT23-6L封裝的AW9301是比較合適的選擇。在驅動4個WLED時，AW9364是比較好的選擇，AW9364提供三種不同的封裝類型，QFN3mm×3mm-16L封裝可以兼容傳統的電荷泵型封裝形式，MSOP-8L是最經濟的封裝形式，DFN2mm×2mm-8L的封裝是占PCB面積最小的封裝形式。

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