平板电脑背光LED驱动器电路的设计_技术

平板电脑背光要求

1、RF范围内低EMI

2、亮度高度期间无可视闪烁

3、陶瓷输出电容压电嗡嗡声引起的可听噪声最小

4、显示器亮度一致

5、高调光比

6、最高效率，实施最大电池使用时间

满足第一个要求即RF范围内低EMI相对较为容易。数年来，电源设计人员一直在为实施这个目标而努力，他们尝试了许多方法，例如：将开关频率和并发谐波设置在RF范围以外，使用屏蔽电感，在合适的情况下给PCB设计最小的长度但却使用较宽的导线，诸如此类。一些驱动器IC已经将MOSFET栅极驱动电路同分层上升时间集成，以减少RF范围内的噪声。

亮度调节类型极大地影响后面四个要求。使用脉宽调制（PWM）亮度调节时，LED电流在调节过程中以其最大电流水平脉冲开和关，来产生平均DC LED电流。这时，只要PWM亮度调节频率远高于60 Hz，背光闪烁就不那么明显。如果使用模拟亮度调节，则闪烁就不是一个问题，因为亮度调节时LED DC电流水平降至其最大值以下。

第三个要求，即陶瓷电容的可听噪声最小，与驱动器的拓扑结构有关。图1显示了一个简单的驱动器，其电流检测电阻器作为LED电流的接地通路。转换器对电流检测电阻器的电压进行调节，从而控制LED电流。

图1：简易LED驱动器（点击查看原图）

图2显示了集成电流阱的驱动器。该驱动器对每个电流阱的电压进行采样，确保转换器能够提供刚好足够的功率，以维持电流阱正常工作。

与闪烁一样，使用模拟亮度调节时不存在问题，因为输出电容电压只有很小的变化，以适应LED电流的微小变化。但是，如果使用PWM亮度调节，则驱动器防止输出电容放电的方式就变得很重要。最简单的驱动器在驱动器反馈（FB）引脚到接地之间也有一个电阻器，驱动器的转换器有效关闭时，输出电容在低亮度调节占空比时开始急剧放电。更为复杂的一些驱动器集成了电流阱（如图2所示），其可以取代电流检测电阻器。它们只需开启吸收器以及为LED供电的DC/DC转换器，从而移除了输出电容的放电和再充电通路。

图2：集成电流阱的LED驱动器（点击查看原图）

第四个要求，即一致的显示器亮度，可通过精确匹配所有串的LED电流完美实现。集成电流阱驱动器的关键特性是串之间的极精确匹配。就无集成电流阱的一些驱动器而言，镇流电阻器与LED串联放置可改善串之间的匹配。

第五个要求，即高亮度调节比（例如：0.1%，或者1000：1），不管是使用模拟调节还是PWM调节，利用一个简单驱动器来实现都较为困难。在低占空因数下使用模拟亮度调节时，模拟控制电压变得如此之低，以至于IC的漏电流和补偿电压会极大地降低精确度。使用简单驱动器的PWM亮度调节是最为常见的实现方法，其通过完全开关转换器来实现。这种亮度调节产生转换器软启动时间，迫使PWM亮度调节频率变得非常低，接近闪烁范围。占空因数让输出电容在再充电期间放电和嗡鸣。因此，利用集成电流阱，可以完美地实现高亮度调节比，因为它可以非常快速地开关。

第六个和最后一个要求，即高效率，不仅仅与驱动器有关，也与LED配置结构有关。驱动器DC/DC转换器的功率MOSFET、电感以及整流二极管，共同决定转换器的效率。简单驱动器的接地通路为电流检测电阻器。转换器的FB电压越低，总驱动器效率就越高。同样地，对于一个集成电流阱的驱动器来说，这些吸收器的最小工作电压越低，驱动器的效率也就越高。简单驱动器几乎总是比带电流阱的驱动器的效率要高，假设条件是它们两者具有完全相同的内部组件，因为电流阱一般比电流检测电阻器要求更高的偏压。但是，为了满足平板电脑的其它性能要求，集成电流阱的驱动器一般是最佳的选择。

最佳LED配置

通过选择串的最佳数目以及每串LED的最佳数目，来最小化功耗和最大化电池使用时间，是一项具有挑战性的工作。使用更少的串，要求每串有更多的LED，并且会导致升压转换器更高的输出电压。升压转换器输入和输出电压之间的差异越大，其效率也就越低。另外，更多的串会导致更高的总输出电流，以及更高的电感和升压整流二极管损耗。图3显示了不同串联（S）和并联（P）组合时三种不同LED配置的模拟升压功率级效率。使用更多的串，可让每串的LED更少，并提供更低的输出电压，但它要求更多的电流阱，不得不消耗更多的功率，从而降低驱动器的总效率。

图3：升压功率级效率

图4显示的是总驱动器效率，其包括图3所示相同LED配置的功率级和电流阱效率。由该曲线图，我们可以清楚地看到20支LED采用5支LED串联为一串、4串并联在一起（5S4P）的配置，24支LED采用6S4P配置，而36支LED采用6S6P配置时，出现最佳模拟效率。根据这些结果，最大化平板电脑背光驱动器效率的经验法则是，选择相等或者尽可能相互接近的S和P数目，但是在只有两个可选的情况下P的数目应小一些。

图4：总驱动器效率

示例背光配置

根据前面的分析，具有集成电流阱的背光驱动器，例如：德州仪器TPS61181A笔记本电脑背光驱动器，可以针对平板电脑背光进行优化（参见图5）。对于那些使用两节锂离子电池的平板电脑而言，驱动器和升压功率级都可以直接通过电池供电。而对于那些只使用单节锂离子电池的平板电脑来说，驱动器偏压轨可以由面板的AVDD轨或者系统的另一个电源（4.5V 或者更高）来供电。由于TPS61181A能够提供比大多数平板电脑要求的功率稍微更高一些的功率（也就是说，功率FET稍微过大，因此RDS（on）非常低），所以相比专为该输出功率而设计的转换器，这种转换器的功耗更低，从而进一步最大化了效率。图6显示了6S6P配置TPS61161A的测得效率结果。