面向微型LED的更小驅動器——延長電池壽命并減小電路空間

　　隨著技術的進步，LED正變得更小、更亮且功效更高。為了讓LED產生想要的亮度，需要由LED驅動電路提供恒定的電流。當今大多數蜂窩電話采用微型白色LED及很小的LED驅動器，從而在整個彩色LCD顯示屏上產生精確和均勻一致的亮度。電池壽命主要由LCD的亮度決定，當電話處于通話狀態時，LCD所耗功率大約占總功率預算的1/3。LED本身和調節電流的驅動電路都會消耗功率。在微型LED驅動器應用中，除了電池壽命之外，電路板的空間也是一個重要的考慮，從而使得LED驅動器拓撲結構的選擇變得比以往任何時候更為重要。

LED驅動器拓撲：空間因素

　　在手持設備中最流行的電池是鋰離子電池，電池電壓的范圍從滿充電時的4.2V下降到放電狀態的大約3.3V。在背光應用中，白光LED在電流為20mA時通常展示出大約3.4V的正向電壓(V_F)，但是，該電壓會隨著型號和溫度而變化。為了避免低電池電壓工作期間LED出現閃爍現象，有必要引入升壓電路。兩種流行的升壓驅動器的架構分別是開關電容型和電感升壓型驅動器。

　　開關電容電荷泵并行地驅動LED，該電路通常需要采用4個0403型封裝的1μF的陶瓷小電容，它提供了當今最為緊湊的解決方案，并且不需要電感器。圖1所示為采用2.5×2.5mm QFN封裝的三通道電荷泵驅動器的例子，用一個外部電阻來設置LED電流。除了三個LED之外，所有需要的元器件都可以安裝在不到1平方厘米的電路板面積之內。

　　比較而言，電感升壓型LED驅動器則采用一個電感來提升電壓并以串聯方式驅動LED。這類驅動器的主要好處在于流經LED的電流一樣，從而產生理想的亮度匹配；缺點在于線繞電感器的形狀大，具體大小取決于電感值和額定電流。例如，在背光應用中，額定電流為200mA的22μH電感的高度為1~2mm，而占位面積為2×2mm~4×4mm。電感的高度越低，其表面積就越大。根據不同的LED驅動器類型，可能還需要外部肖特基二極管。假設一個封裝為SOT23的驅動器采用一個外部肖特基二極管，則除了三個LED之外，總的電路板面積還約需1.5mm2。

　　比較所需要的電路板資源可見，電路板面積節省了1/3；如果把電感升壓方案替換為電荷泵方案，就可以節省更多的電路板面積。對兩種拓撲的選擇常常由LCD LED的配置來規定，這些LED要么采用串聯方式配置，要么采取并聯方式配置。具有串聯LED配置的LCD僅僅需要兩個與LED連接的端口，而并聯LED配置的LCD所需要的端口數則多達LED的數量，還要再加一個公共接點。故對于較大面板的LCD，人們寧愿采用串聯結構以將連接點的數量減到最少。

圖1：Catalyst三通道電荷泵LED驅動器外形圖。

延長電池壽命

　　圖2所示為鋰離子電池電壓放電的例子。此例中，780mAh的典型手機電池被用來向工作電流為20mA的LED連續供電。電池放電時間顯示在水平軸上，結果得到的總的持續時間稍微超過9個小時。如果把這個電荷泵驅動器與基于電感的解決方案比較，所測得的電池壽命(取決于電感升壓驅動器IC)僅僅有百分之幾的微小差異。

圖2：鋰離子電池電壓放電曲線(LED V_F為3.3V)。

　　在電池電壓足以直接為LED直接供電的時候，電荷泵驅動器就工作在1x模式；當電池電壓下降到與LED V_F接近的時候，驅動器自動轉換到1.33x電荷泵模式，此時，輸出電壓在內部被提升到輸入電壓的1.33倍。圖2所示為驅動4個V_F為3.3V、工作電流為20mA的LED時的整個電池壽命期間的電池電壓和電流工作曲線。在1x模式，輸入電流大約為80mA，在1.33x模式增加到110mA。在1x模式，輸入電流基本上等于總的LED電流(忽略1到2mA的靜態電流)。在1.33x模式，輸入電流大約為輸出電流的1.33倍；而在1.5x模式，輸入電流是輸出電流的1.5倍。在電荷泵模式中，輸入電流越大，電池消耗得越快。對于鋰電池應用，在驅動器保持在1.33x模式且不進入1.5x模式時，電池電壓可以下降到3V。

　　電荷泵LED驅動器的一個重要優點是其能夠盡可能長時間地保持在1x模式的能力，另外還有低輸出電阻(小于1Ω)和低LED引腳電壓降(大約150mV)特性。圖2顯示了本例中向電壓為3.5V的1.33x模式的轉換，轉換后的電壓比3.3V的V_F高200mV。

LED正向電壓

　　LED的關鍵特性是其V_F與電流的關系。圖3所示為工作電流為20mA、V_F高達3.5V的LED的電池壽命。對于這種驅動器IC，輸出電壓必須比LED V_F高200mV，因此需要將1X向電荷泵模式轉換的電壓設置到大約3.7V。在電荷泵工作模式的時間越長，電池壽命就越短。在本例中，由于采用比3.3V更高的3.5V的V_F，電池壽命減少半小時或總量的5%。

圖3：工作電流為20mA、V_F高達3.5V的LED的電池壽命曲線。

　　當從小于3.7V的電池電壓開始工作時，四模式分數電荷泵—包含一個1.33x模式開關架構—展示了比其它LED驅動器更高的效率。與僅僅工作在1.5x模式相比，在1.33x模式工作的好處在于(在本例子中)電源電流為110mA，效率比電源電流為122mA時提高了10%。對于更高V_F的LED來說，電池壽命更短。

　　與2~6個LED應用中所使用的電感升壓驅動器相比，分數電荷泵，特別是最新的四模電荷泵LED驅動器，可提供可與之媲美的效率。電荷泵的優點在于它們的結構緊湊、便于實現且具有低噪聲性能。這些功能的結合使它們成為手持設備中小型LCD屏幕背光照明的極具吸引力和頗受歡迎的解決方案。LED的正向電壓特性及其驅動器指標是選擇微型LED和驅動器IC的重要參數。

作者：Fabien Franc

產品應用經理

Catalyst半導體公司