为LCD背光应用驱动120个LED

随着白光发光二极管(LED)的效率持续快速提升且其解决方案的尺寸变得更小更薄，它们如今已应用在便携式DVD播放器、电子相框和全球卫星定位系统(GPS)等设备中，作为5～10英寸的液晶显示(LCD)面板背光。

　　本文将阐述如何利用一个20V白光LED驱动器来为LCD背光应用驱动多个LED串，以及如何将输出电压范围扩展至高于最大额定电压以驱动串联的6～10个LED。

　　带电流镜像的多个LED串

　　图1显示了如何将流经初级支路的恒定电流复制到次级支路。NCP5050是LED驱动芯片，它可将感测电阻RLCS的电压维持在250mV来对初级支路的恒定电流I1进行稳流。

　　电流I1由式1来确定。

　　RLCS=FBV/IOUTL

　　例如，如果需要的值为20mA，RLCS就会是12.5Ω。


　　 图1 基本的电流镜像

　　次级电流I2由电流镜像 Q1-1/Q1-2驱动，且这个电流镜像的比例为1:1，因此，I1=I2。电流镜像由2个小型表面贴装电阻和1个采用极小的SC88六引线封装的双PNP晶体管来实现。为了提升电流匹配精度，可以使用一对SOT-563封装的匹配PNP晶体管，如NST30010MXV。

　　如图2所示，电流I1能够根据需要进行多次镜像。总电流IT是所有流经n个支路的电流之和，如式（2）所示。



　　 图2 多支路电流镜像示意图

　　IT=n×I1

　　LED的最大数量由升压稳压器的输出功率能力决定，而输出功率能力会因给定的电池电压VBAT、LED总电流IT和所选择的外部元件的不同而变化。需要注意的是，图1中的电感能够直接采用电池或其他电源供电，而其他器件的输入电压Vin应该限制在低于5.5V，不论是采用低功率低压差(LDO)稳压器或电流限制Zener稳压器来供电。对于稳压的5V或单节锂离子电源而言，这种双电源配置并不需要。

　　最后，根据图3中的统计测量数据，我们可看到，LED串间的典型电流匹配维持在±3%以内。



　　图3 电流镜像匹配

　　带有镇流电阻的支路

　　如果系统成本的考虑比完美匹配更重要，可以选用另一种不昂贵的解决方案，如图4所示。这个应用采用了镇流电阻来匹配LED串间的LED电流。

　　一项好的折中举措是采用1个68Ω电阻，该电阻在电流为10mA时提供 0.68V的压降，并将包含10个LED的串的损耗维持在2%～3%以内。总电流IT由RLCS来控制，如式（3）所示。

　　RLCS=FBV/IT
　　如果采用低正向电压变化的LED，那么类似图4中的电路通常能够实现相当好的亮度匹配。通常一串LED内LED至LED间的正向电压变化都颇为一致，而且只要稍稍提高成本，LED制造商提供具有更紧密的正向电压容差的电阻分挡(binned)LED。这样一来，就可以获得图5所示统计数据的±10%以内的典型电流匹配。



　 　图4 多支路镇流电阻



　 　图5 电阻电流匹配

　　电压增倍

　　图6所示为电压增倍电路。我们可将其视为两个串联的半波整流电路。在M1导电期间，开关电压VSW被下拉至零电压，D1和D3这两个二极管开路，而二极管D2则导电并为电容C3充电。在第二段，D1和D3导电并为电容C2和C4充电。因此，这种结合体的输出电压VOUT也就等于VSW峰值电压的2倍减去D1、D2和D3的正向电压。图7显示一些电压增倍操作周期。



　　 图6电压增倍电路



　　 图7电压增倍操作周期

　　调光技术

　　对LED亮度进行调节的最佳及最简单方法就是采用脉宽调制(PWM)技术。PWM信号用于CTRL输入，因此，LED的平均负载电流也就与占空比成正比(见图8)。换言之，减少占空比，LED的亮度就可以调节。这种带有电压增倍功能的应用支持的PWM调光频率可高至50kHz。为了避免显示屏上出现任何光闪烁或可听噪声，频率应该保持在20～50kHz的范围内。


　　 图8 IT平均电流Vs占空比

　　得益于NCP5050的高开关频率，这种类型的电路能够采用小型的分立元件来为负载提供较大的电流IT，并且具有很高的效率（见图9）。



　 　图9 效率Vs总输出电流IT@10 LEDs(35V)