如何选择基于手机的高性能白光LED驱动器

前言

目前手机彩屏背光主要采用白光LED（WLED），WLED驱动器的功能就是要向WLED 提供恒定电流，减少电池电压变化时所引起LED亮度的变化以及不同LED 之间的亮度不匹配。这样的WLED驱动器随着时间的不同，不同的架构先后在手机中得到了大规模的应用。从2003～2005 年，在手机中流行使用的是电感升压型WLED驱动器；2005～2007 年大规模使用的是分数电荷泵型WLED驱动器；到2007 年初崭露头角、2008 年逐步流行的低压降恒流型WLED 驱动器，经历了一系列的发展历程。如何选择合适的WLED 驱动器？下面将逐步分析，以便从WLED 驱动器演变的过程中去寻找合适架构的LED 驱动器。

串联电感升压型WLED 驱动器架构

如图1 所示，串联电感升压型WLED 驱动器比较方便的通过一个电阻就设定了一串WLED的工作电流。但是它的最大问题在于：由于使用了电感来进行升压（boost），电感是通过把电能转换成磁能来储存能量的，在工作过程中，不停的进行电磁转换、这样就可能产生电磁辐射和电磁干扰，从而影响手机中的射频模块工作。例如：手机的接受灵敏度指标可能在背光模块工作时受到影响而下降，这样在基站信号不强的区域，背光模块的工作可能会导致通话质量的下降，导致用户对手机品质的抱怨。

图1：串联电感升压型LED驱动器典型应用图

分数电荷泵型WLED 驱动器架构

2005 年开始，手机中逐步流行分数电荷泵WLED 驱动器，其基本架构如图2：

图2：分数电荷泵WLED驱动器典型应用图

通常这种分数电荷泵型WLED 驱动器都是多模式的，可以自动根据WLED 的正向导通压降（VF）和电源电压，来自动决定驱动器所需要的工作模式，比如，当WLED 的VF为3.3V时，电池电压在3.8V 以上，通过内部的模式判断电路，驱动器可以停留在1X 工作模式下，当电池电压下降到不足以维持WLED 的设定电流时，通过电荷泵达到升压增强驱动能力的目的。

这种分数电荷泵型WLED 驱动器的好处在于：消除了电感，减少了对手机射频电路的干扰，用廉价的电容储能来代替电感储能，外围元件的成本也进一步降低。这种芯片的封装一般为QFN3mm×3mm 16L 的封装。

分数电荷泵型WLED 驱动器的工作有一个特点：在理想情况下，输出80mA 的驱动电流时，当工作在1X 模式下，电源消耗电流的为80mA（考虑到芯片内部其他电路的消耗，电流一般小于81mA）；当工作在1.5X 模式下，电源消耗的电流突变为120mA（考虑到芯片内部其他电路的消耗以及开关损耗，电流一般在123mA 左右），当工作在2X 模式下，电源消耗的电流突变为160mA。因此，从分数电荷泵型WLED 驱动器的效率曲线上，通常会看到一个或者两个突变点。因此，对于分数电荷泵型WLED 驱动器，如何尽可能降低模式切换时所对应的电源电压，延长驱动器在1X 模式下的工作时间，才是提升整体效率的关键。例如：图3 所示的分数电荷泵型WLED 驱动器，在电源电压低于3.75V 时就要退出1X 工作模式，因此，它最终所表现出来的整体效率和一个电源电压低到3.5V 才退出1X 模式的电荷泵型WLED 驱动器整体效率会有很大的差别。

图3：分数电荷泵型WLED驱动器效率折线图

图4：分数电荷泵型WLED驱动器电源电流和工作模式关系

低压降恒流型WLED 驱动器架构

随之发光LED 的工艺改进，WLED 的正向导通压降在下降。图5 为2006 年一款Nichia公司NSSW100CT WLED 的I-V 曲线，从图中可以看出提供20mA 电流的WLED VF 仅为3.2V左右。目前，基本上手机中普遍用到的WLED 的正向导通压降一般在3.0～3.2V 之间。

图5：Nichia WLED I-V曲线

随着WLED 的VF 持续下降，驱动WLED 是否还需要升压？结合锂离子电池的特性和实际应用的情况来分析这个问题。
目前手机使用的电池都是锂离子电池，锂离子电池的特点为额定电压3.6V，充满电后为4.2V。在手机工作时，电池不断放电，电池电压不断下降，电池放电的电流不同，电压下降的曲线速率也不同，一般来说，在电池电压3.5V～4.2V 之间集中了90%的电池能量（如图6）。

图6：电池能量分布概图

结合这种实际情况，一般手机的工作设置为当锂离子电池放电到一定程度时，会通过软件的设置为不能通话或者强行关机。深度放电对锂离子电池的寿命会造成不可逆转的损伤，因此关机电压一般设置为3.5V 左右。而这时，如果考虑到WLED 的VF 在3.0V~3.2V之间，实际上驱动WLED 可以不再需要升压。