便携产品背光显示的LED驱动方案

中心议题：

• 便携产品背光显示的LED驱动方案

解决方案：

• Step-UP DC/DC开关电源实现LED驱动
• 电容式电荷泵驱动模式
• 低边LED驱动
• LDO做系统背光

LED自问世以来，就得到人们的极大关注，LED驱动器件和驱动方式不断更新以便更加有效地驱动LED为人类照明。从早期的DC/DC开关电源到电荷泵，以及追求成本的低边驱动和LDO,人们在不同的应用情况下选用不同的驱动线路，作为市场关注的热点，便携产品的显示背光是LED背光应用的主要市场，下文将针对便携产品的背光显示，介绍当前几种常见的LED驱动方案。

1. Step-UP DC/DC开关电源实现LED驱动

该方案主要的特点在于：输入电压较低，甚至低至0.7V(单节干电池)，从技术发展的角度看，串联型驱动出现的比较早，技术上也比较成熟，效率较高。典型的应用线路如图1所示。

图1：Step-UP DC/DC 开关电源实现LED驱动的典型应用线路。

对于这种应用方式，早期的驱动芯片主要采用电流反馈方式，按照VFB/Rb来确定LED的电流，DC/DC反馈电压VFB一般在1.2V左右，这限制了有效效率的进一步提升，本身DC/DC的效率在80%左右，在这种应用情况下，实际效率降低的更多，而随着技术的提高，降低VFB电压到0.1V 以内，可以将有效效率提升到85%以上，尤其在驱动2-3颗灯的应用状态下。该方案的优缺点如下：

优点：技术成熟，成本相对较低，通过一些新的技术革新，例如图1所示的过压保护功能，或者采用电压电流反馈共同作用，可以得到较高的亮度一致性以及较高的安全系数，尤其以大尺寸屏幕显示的背光应用居多。由于需要较多的LED实现屏幕背光，因而亮度的一致性和均匀性是必须面对的挑战。

缺点：本身电感的应用，限制了线路的尺寸以及高度，并且带来工程设计人员不愿意面对的问题-EMI处理，尤其在靠近射频部分，需要针对干扰做专门的处理，否则会导致射频接收灵敏度降低，甚至带来音频部分的干扰，例如音频输出电流干扰声。另外，在这种应用情况下，如果一个LED发生故障就会导致整串LED失效，这是人们不愿意看到的结果。
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2. 电容式电荷泵驱动模式

这是一种比较新的驱动方式。简单来说电容式电荷泵通过开关阵列和振荡器、逻辑电路、比较控制器实现电压提升，采用电容器来贮存能量。因工作于较高频率，可使用小型陶瓷电容器(1μF)，占用空间最小，使用成本较低。电荷泵有两种工作模式，恒压模式，恒流模式。

1)恒压模式电荷泵。圣邦微电子的SGM3110就是采用恒压模式的电荷泵，由于恒压模式电荷泵的工作特性，本身具有高开关频率以及大峰值的瞬态电流，因而需要工程师在PCB布板部分额外注意，一般要求外围的电容尽可能靠近器件本身，外围布线要尽量短，本身需要周围的PCB地尽可能大，外围电容也要尽量直接接到SGM3110的地上，如果布线限制，则可以通过大的PCB过孔以及多个过孔来实现良好接地。

效率计算方法：η=Iout*Vout/Iin*Vin

由于器件本身存在开关损耗以及电容漏电，因而实际效率要比该值低一些，这跟生产厂家的工艺技术有关。采用这种LED驱动模式的优点在于，可以简化外围线路、降低产品成本。尤其在小尺寸屏的情况下，1-2个LED做屏幕背光;或者用做闪光灯驱动，在100mS内达到250mA电流的输出;或者是简单的DC/DC 5V升压简化版本，替代电感DC/DC升压，降低成本以及产品EMI问题。缺点在于只有简单的两倍升压模式，效率较低，大多数时间效率低于70%，实际利用效率更低，其中有相当一部分消耗在限流电阻上。在驱动多个LED的时候，背光一致性完全依赖于LED以及限流电阻的精度。

2)恒流模式电荷泵。为了进一步提升LED驱动的效率，圣邦微电子在2008年第二季度推出带有1X、1.5X、2X升压的恒流模式电荷泵SGM3123，对于恒流模式的电荷泵来讲，通过内部的逻辑控制来实现对每一路LED实现均流，使LED的亮度保持相等，与此同时，尽可能地提高LED的驱动效率。

在这种应用中，通过电流镜像控制技术使LED的亮度一致性得到保持，每一路的LED电流误差不超过2%，并且1X、1.5X升压模式使驱动LED的效率得到兼顾，LED在大部分工作时间内，驱动效率可以保证在80%以上。典型应用线路如图2所示。

图2：恒流模式电荷泵SGM3123的典型应用线路。

利用不同的阻值来设置LED输出电流：ILED=Gain*VIset/RIset。不同厂家Gain系数不同。人们在对电荷泵技术革新的同时，也发现利用它驱动LED相对于DC/DC的一系列优点,降低成本，缩小驱动板的尺寸，避免EMI干扰。

3.低边LED驱动

对于成本及性能的追求，也存在着一系列其他的驱动方式例如低边LED驱动。相比较恒流模式的电荷泵，仅缺少电荷泵升压，对于电流的恒流处理部分则相同。成本与电流模式电荷泵比相对较低。缺点在于，纯线性处理，当电池电压降到较低，例如3.6V，在突发大负载的情况下：手机接打电话或者拍照，MP3播放音乐，MP4播放影片，会造成电压波动，电压会下降0.1~0.2V，那么在系统电压会瞬间降到3.4V甚至更低，不能保证LED的正常亮度，存在屏幕亮度明显变化的缺陷。

4. LDO做系统背光

成本的压力促使采用更低成本的LDO来做系统背光。用LDO作LED驱动与上述方案比较，除了成本较低，无论是电压模式电荷泵SGM3110驱动3个以上LED会存在亮度不均匀的缺点，还有低边驱动电压不稳导致亮度变化的缺点都存在。