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移动电话与PDA应用中LED照明驱动电路的设计

作者:dolphin时间:2011-05-11浏览次数:1014

 led如何改善移动电话与PDA中的灯光效果和性能
  由于具备高照明效率、长效性与小体积,LED已成为便携式设备,如移动电话与PDA等的必然选择,约0.1W的低功耗白光led目前正广泛应用在LCD显示面板的背光与键盘照明上,当然也可通过连接多颗LED带来较高的亮度作为临时照明或闪光灯等应用,而可达1W的高功率LED则应用在配备两百万像素,甚至更高分辨率的拍照手机中来支持黑暗环境中的拍照功能。除白光LED外,RGB(红、绿、蓝)光LED也经常被用来强化移动电话的质感,通过三种色彩精确适当地混和,RGB led可创造出丰富多样的色彩。
  在指示应用上,当有来电或信息时可以让彩色LED闪烁,或利用色彩来显示发话者的身份,例如自行定义的群组,如朋友、家人或业务往来的来电,这项功能不仅为移动电话带来个性化,同时在非常吵杂的环境中也相当有用。为进一步强化使用者的影音感受,RGB LED也同时用来产生许多吸引人的发光效果,其中一个例子是将RGB的发光动作与响铃的旋律或MP3音乐加以同步,另外一个RGB发光的有趣应用则是日本松下公司的“Feel Talk”功能,由于RGB led被安排在移动电话的机壳下方,因此可以依使用者的心情显示不同的色彩。
  led效能的改善和电气特性
  在大量资金投注LED开发后,白光LED的照明效率比起刚发明时有了大幅度的改善,目前市场上最佳的白光LED照明效率可以达到100lm/W,相当接近日光灯管,而一些领先公司也尝试在蓝光LED上使用不同的涂敷物质,并推出更佳发光效率的设计方案,因此提供面板背光所需的LED数目将持续下滑,目前移动电话上标准LCD面板所需的背光LED大约为2~4颗,而PDA或智能型手机上LCD面板的背光则需要6~10颗。在进一步讨论LED背光与闪光灯的驱动电路结构与新功能前,先回顾一下移动电话与PDA中广泛使用的led以及电池的电气特性。
  依不同制造商所采用技术的差异,led的正向电压(Vf)大约在2.7~4V之间,通常高功率LED拥有高达4.9V的较高正向电压,因此LED驱动电路就必须提供足够的正电压以便让LED以正向偏压的方式发光。当采用多颗LED来提供背光时,在驱动电路设计上应考虑正向电压间的差距,为了得到相同的照明强度,也就是让不同的LED发出相同的色彩,设计工程师必须确保流经每颗LED的正向电流能够相同,低功率LED通常采用20mA的正向电流,最大约为25mA,目前市场上的高功率led则能以高达1.5A的脉冲电流来驱动。
  电池的电气特性
  目前移动电话与PDA中最常见的电池为锂离子或者锂高分子可充电电池,采用锂材料的可充电电池额定电压范围是3.6V~3.7V,工作电压则为4.2V~3.2V,为确保能够安全工作,这类型的锂电池只能够在1C的范围内充电或放电,这里C由电池的额定容量所决定,例如1,000mAh的电池最高放电电流为1A,移动电话通常使用的电池容量大约在650~1,000mAh之间。为改善电池的效能,采用不同阴极材料的新型锂离子电池已开始开发。在使用这类电池组时,设计工程师应该遵守电气规格限制并据此调整驱动电路。
  在使用最高正向电压为3.4V~4V的LED时,由电池提供的输入电压必须等于或高于所需的驱动电压,因此需要一个具有稳定电流功能的升压式转换器来推动以串联或并联方式连接的led。
  电荷泵转换器目前广泛使用在LCD的背光驱动上,与采用电感式的升压式转换解决方案比较,电荷泵驱动电路由于具备较低的成本、较薄的厚度以及较低的噪声特性而成为较佳的选择,新推出的集成电路设计已经逐渐改善电荷泵驱动电路的效率,目前最高效率可超过93%,而平均效率则约为80%。电荷泵驱动电路通常采1x与2x模式运作,部分设备中则加入了1.33x与1.5x模式来改善效率,在这类解决方案中,LED采用并联方式连接,同时每个LED的电流由各自独立的匹配电流源提供,最佳的驱动芯片在相同电路中任两个led电流间的匹配误差约为0.2%。
  在便携式设备中,当按键盘或触摸屏时所用的LED电流最高,而在几秒钟没有动作后,为降低功耗LED电流将降低,控制LED电流的一个常见方式是采用PWM脉冲来驱动芯片的使能端,通过启动与关闭芯片,其输出电流为PWM信号占空比的平均值。对于新led驱动芯片,由于采用单根(S-Wire)或两根线的I2C接口,故只需用一或两个I/O口,因而设计非常简单。
  渐进式亮度变化与情境式照明
  渐进式亮度变化主要应用在便携式设备启动或关机时以创造剧场式的照明效果,在启动时,背光电流会以预先设定的时间间隔以步进方式逐步放大到20mA,同样在关机时采用相反的动作逐步降低,通过微处理器的帮助,可将具备不同频率的PWM信号送到LED驱动电路的使能端来实现这样的效果,以特定时间间隔将LED电流用多重步进的方式加大或降低,但这个方法的缺点是耗费实时处理器资源,在NCP5602与NCP5612这类的led驱动芯片产品上就具有此功能,参考图1。

图1:典型的两颗led式电荷泵驱动器应用。(a) 采用I2C控制接口的LED驱动电路;(b) 采用单线式S-Wire控制接口的led驱动电路。
  这些驱动芯片需要两个箝位电容,分别位于输出与输入端以及一个用来控制最高输出电流的电阻(R1),渐进式亮度变化控制指令则由处理器通过I2C或I/O口送到驱动芯片,指令本身应该包含起始与最终电流值以及亮度变化的时间间隔。
  如果应用在RGB LED上时,这样的功能就能够用来产生情境式的照明效果,每个RGB LED都有32级亮度,像NCP5623这类的LED驱动芯片就可达到惊人的32,768种色彩变化,由于如此精细的亮度级差及内嵌有对数算法,色彩的变化呈线性化且相当柔顺,RGB LED驱动电路包含用来调整3颗led输出电流的独立控制PWM电流源,以便产生所需的色彩输出。

图2:具备I2C控制接口的典型RGB led驱动芯片应用。
  由于每个电流输出的时序与电流大小都可以独立控制调整,因此我们就能够使用白光或带有色彩的LED,并利用不同的发光模式来实现丰富多彩的装饰或指示,部分具备音频输入的电路还能够让彩色led与内部嵌入的MP3或和弦铃声的不同频带相同步。
  ICON模式
  您是否曾在黑暗中从移动电话上看时间,这时明亮背光与黑暗环境的强烈对比对眼睛来说相当不舒服,如果您在观赏电影过程中觉得无聊来看时间,还可能会干扰隔壁的观众,这也就是为什么采用“ICON”模式,即在待机模式下以微小的电流在外部LCD面板上显示时间或用户定义的图片。不过如果这必须通过PWM亮度控制来实现,那么处理器就得在整个待机模式下产生一个连续的低频PWM信号,在NCP5602中,这个功能采用硬件方式实现,并且通过表1中的数字命令来加以启动。



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