LED背光驱动技术探讨

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面对全球环境保护意识日益高涨,产生了针对含有对环境有害物质的电子产品的限制与欧盟电子电机设备中有害物质禁用指令(RoHS)。因此全球各地液晶显示屏(LCD)面板厂商积极地寻求冷阴极荧光灯(CCFL)的替代解决方案。过去数年,LED已得到广泛的应用,其中成长最快的应用领域是LCD的背光应用;数年间LED尤其在小尺寸显示屏的背光应用得到普及,并已取代了CCFL,而在中大尺寸的应用中,LED取代CCFL也正成为趋势;LED背光已开始迈入需要更高性能和更长工作时间的中大尺寸显示屏背光应用,如GPSP-DVDDPFNOTEBOOKE-PC等设备。
LED背光技术相对于CCFL有诸多的优点,更好的亮度均匀性,更鲜艳的色彩,更长的寿命,在屏幕轻薄程度以及耗电量上也有很大的优势。更重要的是,没有CCFL带来的环境污染问题。
LED是电流型器件,需要专用的驱动IC,它的亮度与流过的电流成正比。驱动IC控制LED的电流一般可以由两种方式:
1、直接由芯片提供一个恒压源,然后通过LEDVI特性和限流电阻来决定输出电流,但是由计算公式可以看出,电流对LED正向压降VF很敏感,考虑到LED本身离散性,不同个体之间Vf会有几十到几百个mV的差异,所以这种方法无法准确控制LED亮度。
2、芯片提供一个恒流源。与上面的恒压方式不同,这种方法通过控制取样电阻上的电压直接控制输出电流,理论上驱动的LED电流与LEDVF没有关系,很好的避免了LED离散性的影响,可以精确地控制LED亮度。
恒流源控制方式是目前LED DRIVER的主流。以下就市场上主要的恒流驱动方案做一个介绍。
1、线性恒流方式驱动
这种方法成本比较低,同时没有EMI的问题,但主要问题是电池电压下降到一定值(比如3.6V)以下,亮度会有明显的变化。
2、线性+电荷泵(charge pump)混合模式驱动
用电荷泵解决了在电池电压比较低的情况下,输出电流下降明显的问题,根据输入电压,芯片工作在线性、1.5X2X模式。这种方式由输入电压范围广、无需电感、体积小等优点,广泛用于手机等小型LCD屏幕。
3、DC-DC step-up恒流驱动
charge pump方式相比,step-up也可以得到比输入更高的电压,而且驱动能力更强,可以支持更多颗的LED,因此比较多的应用与中大尺寸的LCD模块中。
4、近期推向市场的中小尺寸TFT-LCDLED背光新产品CP2122
CP2122是一款特别为白光LED驱动而设计的升压型DC/DC转换器,采用高达1.4MHz的工作频率,允许采用小巧的外部电感和电容元件。LED采用串联的连接形式,这样保证流过每个LED的电流相同,从而可以获得一致的亮度。300mV的反馈电压使得在电流设定电阻上消耗的功率很小,尽可能的优化了在白光LED驱动应用时的效率。CP2122的开关管的峰值电流可高达700mA,并且可承受高达34V的电压,可驱动一串9LED,三串多达21LED,使得CP2122非常适合于中大LCD屏的背光应用。采用SOT23-5L封装形式。
流过LED的电流由VFB/R1来决定,普通DC-DC converter的反馈电压VFB一般为1.2V左右,这样电阻上的功耗就很大,严重影响了转换效率;而2122的VFB仅为300mV,相对传统方法,效率大为提高,延长了电池的使用时间。可以计算出设定20mA的LED电流需要的R1值:
R1VFB/ ILED=300mV/20mA=15 ohm
CP2122采用电流模式的控制方式:外环通过控制FB电压来控制LED平均输出电流;内环通过芯片内部采样电阻来控制开关管峰值电流,具备优秀的电压和负载调节能力。
由于是直接控制输出电流而不是电压,当负载电阻变大时,输出电压必须增大来维持恒定的电流。而一旦负载开路,输出电压会立即上升直到超出芯片最大允许电压,击穿芯片。传统的驱动芯片一般要求与在输出端与LED并联放置一个齐纳二极管,来限制输出电压。2122在设计中考虑了负载开路保护的问题,在内部加入了一个过压保护(OVP),无需外加二极管保护。
同时,芯片支持PWM调光,利用人眼的视觉暂停原理,以一定的频率和占空比来周期性的控制白光LED的导通电流在零电流到额定工作电流之间来回切换,从而调整亮度,这种调光方式与改变驱动电流大小的调光方式相比优点就是不会产生色移。在应用时,为了确保人眼看不到LED闪烁,PWM调光的频率一般要大于100Hz2122可以支持0~100kHz的调光频率范围,这样大大方便了系统的设计。
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