為LCD背光應用驅動120個LED(圖)

隨著白光發光二極管(LED)的效率持續快速提升且其解決方案的尺寸變得更小更薄，它們如今已應用在便攜式DVD播放器、電子相框和全球衛星定位系統(GPS)等設備中，作為5～10英寸的液晶顯示(LCD)面板背光。

本文將闡述如何利用一個20V白光LED驅動器來為LCD背光應用驅動多個LED串，以及如何將輸出電壓范圍擴展至高于最大額定電壓以驅動串聯的6～10個LED。

帶電流鏡像的多個LED串

圖1顯示了如何將流經初級支路的恒定電流復制到次級支路。NCP5050是LED驅動芯片，它可將感測電阻R_LCS的電壓維持在250mV來對初級支路的恒定電流I₁進行穩流。
電流I₁由式1來確定。

圖1 基本的電流鏡像

RLCS=FBV/IOUTL

例如，如果需要的值為20mA，R_LCS就會是12.5Ω。

_{次級電流I2由電流鏡像 Q1-1/Q1-2驅動，且這個電流鏡像的比例為1:1，因此，}I_{1=I2。電流鏡像由2個小型表面貼裝電阻和1個采用極小的SC88六引線封裝的雙PNP晶體管來實現。為了提升電流匹配精度，可以使用一對SOT-563封裝的匹配PNP晶體管，如NST30010MXV。}

如圖2所示，電流I1能夠根據需要進行多次鏡像?？傠娏鱅T是所有流經n個支路的電流之和，如式（2）所示。

圖2 多支路電流鏡像示意圖

I_T=nI₁

LED的最大數量由升壓穩壓器的輸出功率能力決定，而輸出功率能力會因給定的電池電壓V_BAT、LED總電流I_T和所選擇的外部元件的不同而變化。需要注意的是，圖1中的電感能夠直接采用電池或其他電源供電，而其他器件的輸入電壓Vin應該限制在低于5.5V，不論是采用低功率低壓差(LDO)穩壓器或電流限制Zener穩壓器來供電。對于穩壓的5V或單節鋰離子電源而言，這種雙電源配置并不需要。

最后，根據圖3中的統計測量數據，我們可看到，LED串間的典型電流匹配維持在3%以內。

帶有鎮流電阻的支路

如果系統成本的考慮比完美匹配更重要，可以選用另一種不昂貴的解決方案，如圖4所示。這個應用采用了鎮流電阻來匹配LED串間的LED電流。

一項好的折中舉措是采用1個68Ω電阻，該電阻在電流為10mA時提供 0.68V的壓降，并將包含10個LED的串的損耗維持在2%～3%以內?？傠娏鱅_T由R_LCS來控制，如式（3）所示。

圖3 電流鏡像匹配

R_LCS=F_BV/I_T

如果采用低正向電壓變化的LED，那么類似圖4中的電路通常能夠實現相當好的亮度匹配。通常一串LED內LED至LED間的正向電壓變化都頗為一致，而且只要稍稍提高成本，LED制造商提供具有更緊密的正向電壓容差的電阻分擋(binned)LED。這樣一來，就可以獲得圖5所示統計數據的10%以內的典型電流匹配。

圖4 多支路鎮流電阻

圖5 電阻電流匹配

　
電壓增倍

圖6所示為電壓增倍電路。我們可將其視為兩個串聯的半波整流電路。在M1導電期間，開關電壓VSW被下拉至零電壓，D1和D3這兩個二極管開路，而二極管D2則導電并為電容C3充電。在第二段，D1和D3導電并為電容C2和C4充電。因此，這種結合體的輸出電壓V_OUT也就等于V_SW峰值電壓的2倍減去D1、D2和D3的正向電壓。圖7顯示一些電壓增倍操作周期。

圖6電壓增倍電路

圖7電壓增倍操作周期

　
調光技術

對LED亮度進行調節的最佳及最簡單方法就是采用脈寬調制(PWM)技術。PWM信號用于CTRL輸入，因此，LED的平均負載電流也就與占空比成正比(見圖8)。換言之，減少占空比，LED的亮度就可以調節。這種帶有電壓增倍功能的應用支持的PWM調光頻率可高至50kHz。為了避免顯示屏上出現任何光閃爍或可聽噪聲，頻率應該保持在20～50kHz的范圍內。

圖8 IT平均電流Vs占空比

得益于NCP5050的高開關頻率，這種類型的電路能夠采用小型的分立元件來為負載提供較大的電流I_T，并且具有很高的效率（見圖9）。

圖9 效率Vs總輸出電流I_T@10 LEDs(35V)