提高能源效率是當今世界最普遍的挑戰之一。由于新的能源標準越來越嚴格，消費者的意識不斷提升，消費電子產業也在不斷地向提高效率發展。對更高效率的需求推動創新企業開發更加智能的電源管理技術。其中，顯示器背光是發展最快的一個領域。無論是在移動電話、MP3 播放器、便攜式游戲機還是GPS系統中，LCD屏幕背后的光源使得這一切更多姿多彩。
為這些屏幕供電就像許多工程的挑戰一樣，根據具體應用形成了各種各樣的解決方案。在便攜式顯示器背光市場，一種更新、更智能的解決方案將徹底改變LCD屏幕的照明方式。本文將討論當今市場中比較常用的解決方案，并介紹更易于使用、需要更少外部元件、更低成本且具有更高效率的替代解決方案。
升壓WLED驅動器
在便攜市場中，鋰離子電池是最常用的一種電能來源。典型的鋰離子電池充滿電時的電壓約為4.2V。電池會隨著電流的消耗而放電，但是，大約80%的電池壽命在3.9V至3.5V范圍內。只需要對LED提供約3.3V的正向偏置，就能使其發光。升壓LED驅動器可通過將較低輸入電壓（來自鋰離子電池）提升至較高輸出電壓（LED兩端）同時為多個LED供電。較高的輸出電壓用于使串聯的LED串正向偏置。升壓驅動器根據能夠承載的電壓，可以一次驅動多個LED。例如，如果開關晶體管的額定電壓為24V，那么，升壓LED驅動器可輕松使串聯的六個LED正向偏置（6x3.3VLED≈20V）。圖1示出有六個串聯LED的典型升壓LED驅動器。
圖1：有六個LED的典型升壓LED驅動器電路。
典型的升壓LED驅動器電路總共需要四個外部元件，即，一個輸入電容器（CIN）、一個輸出電容器（COUT）、一個電感器（L）和一個置位電阻器（RSET）。如圖1所示，LED電流由FB處電壓除以電阻（RSET）得出。升壓LED驅動器基本上是一個改良的升壓穩壓器，能夠以較低反饋電壓降低通過RSET電阻器的電能損失。與升壓穩壓器類似，這種拓撲結構使用電感器和內部功率晶體管將能量轉移和傳輸到輸出端（OUT）。因此，它也繼承了升壓穩壓器的缺點，例如，輕載時效率低、開關噪音，以及有時由壓電效應引起的可聞噪音問題（由陶瓷電容器兩端的高交變電壓產生的噪音）。圖2示出典型升壓LED驅動器的效率曲線。
圖2：典型升壓LED驅動器的效率。
如圖2所示，用于驅動六個LED的典型升壓LED驅動器具有大約80%的峰值效率。該數值可因所用的電感器不同而有所不同。較大尺寸的電感器通常能夠提供更高的效率，但是需要更大的尺寸和更高的成本。LED電流較低時（調光過程中），由于開關損耗，效率會降低，這往往是使用升壓LED驅動器的一個缺點。低效率會根據應用情況造成潛在的能源浪費，但同時也留下了改進余地。如果選擇升壓LED驅動器作為解決方案，但大多數時間卻用于較低電流區域（低于20mA），那么，系統將會變得效率低下。假設系統設計者大部分時間以全亮度使用升壓LED驅動器，其效率能樣大部分鋰離子電池的壽命維持在80%，如圖2所示。為給定應用選擇適當的LED驅動器固然具有挑戰性，不過，如果未能全面考慮所有參數，還將會損害便攜系統中寶貴的電池壽命。
電荷泵WLED驅動器
當前市面上的另一種LED驅動器是電荷泵LED驅動器。電路如圖3所示。
圖3：典型電荷泵LED驅動器。
電荷泵LED驅動器驅動并聯的各個LED。典型的電荷泵總共需要五個外部元件，即，一個輸入電容器（C1）、一個輸出電容器（C2）、兩個電荷泵電容器（Cx、Cy）和一個置位電阻器（RSET）。電荷泵優于升壓穩壓器的一點是，它使用兩個電荷泵電容器代替大型的外部電感器。另一個優勢在于它輕載時的效率。由于輕載時無開關損耗，因此，電荷泵能夠在各種負載范圍內維持較高的效率。當鋰離子電池電壓較高時，電荷泵處于旁路模式。在這種模式下，輸入電壓（VIN）通過電荷泵的內部晶體管連接到輸出端（OUT）。當電池電壓低于使LED正向偏置所需的正向電壓時，電荷泵將激活。通過對串聯的電容器（Cx和Cy）充電，然后將它們并聯以提供能量，可使輸出端的電壓增大50%。這種電荷泵方法使LED能夠被完全偏置，即使電池電壓低于LED正向電壓也如此。但是，這要通過切換多個內部開關來完成，而不理想的開關會造成能量損耗。例如，大多數情況下，電荷泵處于旁路模式，這時輸入電壓通過內部開關連接到輸出端。只要LED打開，即使電荷泵未激活，開關中也會有能量損耗。電荷泵工作時，由于電容器充電和放電過程中以及開關中的能量損耗，使得它的效率極其低下。由于鋰離子電池壽命是從3.9V到3.5V，因此，在電池壽命幾乎耗盡時泵入電壓是徒勞之舉。電荷泵LED驅動器的固有問題是，它們在旁路模式下會浪費能量，并且在最終升壓階段效率低下。給定應用中某種解決方案的低效率會引導人們開發另一種沒有此類缺陷的解決方案。
Micrel線性LED驅動器系列（MIC2841A、MIC2842A、MIC2843A、MIC2844A、MIC2845A、MIC2846A）是高效、低成本且易于使用的解決方案，專為驅動便攜顯示器背光市場中的LED而設計。圖4示出典型的線性LED驅動器電路。
圖4：典型線性LED驅動器。
如圖4所示，MIC2844A直接從鋰離子電池（VIN）驅動并聯的LED，并且需要兩個外部元件：輸入電容器（C1）和置位電阻器（RSET）。D針腳（D1至D6）屬于低壓差線性驅動器，其專用于吸收電流值等于RSET設定的值的電流。由于LED的亮度取決于LED電流，因此在正常工作條件下，針腳之間的電流匹配設計為低于1.5%。這樣能夠確保整個LCD面板的亮度均勻。由于直接從鋰離子電池驅動LED，因此在D針腳處具有低壓差對于延長電池壽命來說非常重要。電壓隨著鋰離子電池放電而降低。為了確保LED完全偏置的時間達到最大值，每個D針腳處的壓差設計為在電流為20mA時低于40mV。例如，如果LED正向電壓為3.3V，那么鋰離子電池電壓可以低至3.34V，且仍可使LED完全偏置。線性LED驅動器的效率可通過下列公式計算：
效率=（VLED x ILED） / （VBATTERY x （ILED + ISUPPLY））
電源偏置電流 （ISUPPLY = 1.4mA） 將是系統中的唯一能量損耗，但為了使內部電路偏置，這是必需的。將LED正向電壓（VLED=3.3V）、LED電流（ILED=20mA）和鋰離子電池電壓（VBATTERY=3.34V）值代入該公式，得到線性LED驅動器的效率最高可達92%。圖5示出線性LED驅動器的效率。
圖5：典型線性LED驅動器的效率。
由于鋰離子電池壽命主要是從3.9V到3.5V，20mA時正向電壓為3.3V的LED產生的線性LED驅動器效率將為85%到92%。這一效率比升壓LED驅動器提供的效率（如圖2所示）更高。由于線性LED驅動器所用的外部元件更少，因此，在當前情況下，線性LED驅動器是更明智的選擇。電荷泵和線性LED驅動器均驅動并聯LED，它們的效率似乎應該相似。但是，由于線性LED驅動器無內部開關晶體管損耗，因此效率比電荷泵LED驅動器（無論其是否執行泵工作）更高。如果鋰離子電池低于3.3V，大多數便攜設備將使用省電模式，這會減小LED電流。這反過來又會降低LED正向電壓，并使LED被完全驅動，即使電池電壓較低時也如此。這種機制使電荷泵無用武之地。由于大多數便攜系統設計為當電池電壓降至低于3.3V時關機，因此在此階段沒有必要對電池電壓進行電荷泵處理。考慮到大多數便攜電子產品的操作方式，這使線性LED驅動器超越當前市場上的所有其他解決方案。
本文小結
技術的發展正在將便攜電子產業不斷推向前沿。只要存在改進機會，就會出現新的解決方案以取代舊的解決方案。LCD背光市場中存在各種各樣的解決方案，但其中只有一種能夠推動行業向前發展。Micrel線性WLED驅動器系列專門針對便攜應用而設計，其中，效率、尺寸和成本是最關鍵的考慮因素。該系列線性驅動器僅需要一個電阻和一個電容器，便能夠保持最高的效率（高達92%），最小的解決方案尺寸（MIC2844A封裝為2mmx2mm）和最低的成本。這些線性LED驅動器不僅在這三大關鍵方面都具備優勢，同時還保持靈活性和易用性。借助高于1.5%的匹配度和可用的PWM及數字調光控制，Micrel線性WLED驅動器系列將揭開便攜電子領域中WLED驅動方式的革命序幕。
作者：黃幸斌 （Brian Huang）
應用工程師
Micrel公司