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淺談白光LED控制器驅動技術
 

【作者: 高仕】   2004年06月09日 星期三

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最近幾年PDA、行動電話、NB-PC等可攜式電子產品的液晶顯示器,幾乎完全變成彩色化,由於液晶顯示器本身並非主動性發光元件,必需仰賴背光照明模組顯示畫面,隨著小尺寸液晶顯示器的彩色化,因此由白光LED光源構成的背光照明模組的需求也大幅增加。白光LED點燈時需要很高的順向電壓VF與順向電流IF,這意味著背光照明模組的控制,對電池的動作時間具有絕對性的影響,因此本文接著要探討白光LED的驅動技術。


彩色液晶顯示器結構

(圖一)是穿透式彩色液晶顯示器的結構,由圖一(a)可知液晶顯示器正下方是背光照明模組,背光照明模組側面則設有三個白光LED;圖一(b)是液晶顯示器的剖面圖,由圖可知設於導光板側邊的白光LED,產生的光線在導光板內反射同時均勻射入液晶顯示器,接著通過液晶顯示器內部的紅、藍、綠cell形成彩色影像。



《圖一 穿透式液晶顯示器的結構》
《圖一 穿透式液晶顯示器的結構》

LED的驅動方式

簡易驅動方法

如(圖二)所示它是將白光LED並聯驅動,因此白光LED的亮度取因負載電阻RL的阻抗值限制LED的順向電流IF。這種驅動方式的白光LED順向電壓VF非常散亂,假設負載電阻RL完全相同,各LED會產生輝度散亂不均現象。圖一(a)的三個LED輝度都不相同的話,會造成背光照明模組無法獲得均勻的光線,形成所謂的「mura」現象。換句話說只要使用電氣特性相同的LED,理論上就不會有mura的困擾,然而實際上並無法要求LED廠商提供電氣特性完全相同的LED,此外LED並聯時也無法配合各LED的特性,逐一挑選特定的負載電阻RL。


《圖二 並聯驅動LED》
《圖二 並聯驅動LED》

輝度維持一定的驅動方法

圖二電路的問題是一定的負載電阻RL,造成LED的順向電壓VF的不均,進而導致LED的順向電流IF也產生散亂不均。為了使各LED的電流相同,可以改用(圖三)的簡易並串聯方式,如此一來即使順向電壓VF散亂不均,不過流入各LED的電流ILED完全相同,因此可以獲得輝度相當均勻的光線。


假設圖三所示的三燈串聯電路的各LED順向電壓VF為3.6V,LED驅動電路整體的驅動電壓VLED等於10.8V,換言之為獲得必要的輝度,每個LED最低限度必需施加3.6V以上的驅動電壓,LED串聯時驅動電壓則呈比例增加。可攜式電子產品一般使用乾電池或是鋰離子電池,為了驅動三燈串聯電路,必需將三個鋰離子電池或是八個乾電池串聯,如此一來除了重量大幅增加之外加上空間上的限制,因此實際上幾乎不可行。


《圖三 串聯驅動LED》
《圖三 串聯驅動LED》

(圖四)是由NJM2360 switching regulator IC構成的白光LED驅動電路,圖中的負載電阻RL的阻抗值,可以使流入INVIN端子的電壓VREF變成1.25V,換句話說決定白光LED的ILED可由下式求得:


《公式一》
《公式一》

此處假設流入各LED的電流ILED為15mA,負載電阻的阻抗值RL則變成830Ω。假設LED的順向電壓為3.V,三燈串聯電路的驅動電壓VLED等於:


《圖四 利用switching regulator IC驅動白光LED電路》
《圖四 利用switching regulator IC驅動白光LED電路》

白光LED點燈時需要15mA的電流IF,不過周圍很黑暗的環境時,往往不需作全開驅動,此時可控制驅動電流抑制LED的亮度,進而降低LED的耗電量,這對使用電池的可攜式電子產品而言,乃是非常重要的節約電流技術。有關驅動電流控制技術常用的方法是利用PWM信號作控制,該方法經常被應用在其它領域,例如馬達控制或是聲音信號處理等等。由於PWM信號可使switching regulator作ON/OFF,因此它除了可使LED的輝度穩定化之外,同時還可以確保電池長時間的動作特性。由(圖五)可知周圍溫度一旦超過,白光LED的容許順向電流會大幅降低,在此情況下如果施加大電流,很容易造成白光LED老化,為了減緩白光LED的老化速度,所以必需利用周圍溫度調整基準電壓VREF,藉此減少電流的供給。


根據以上的說明可歸納下列結論──


  • ●白光LED的電壓VF非常高。


  • ●電壓VF本身具有波動值。


  • ●衡時全開點燈會使白光LED的耗電量增加。


  • ●電源電壓變動會影響白光LED的輝度。



為了使白光LED能穩定點燈,且不受電壓VF本身波動值以及電源電壓變動的影響,所以必需使用專門的白光LED驅動器。


《圖五 周圍溫度與容許順向電流之關係》
《圖五 周圍溫度與容許順向電流之關係》

白光LED驅動電路

基本驅動電路

如(圖六)所示,一般switching regulator是設法使feed back電壓VFB,與內部基準電壓VREF相等進而控制電壓,因此決定白光LED亮度的電流ILED可由(公式一)求得。如果將周圍的亮度也列入輝度控制電路時,如圖六的白光LED驅動電路就變成(圖七)所示的結構。圖七的電路與圖六的電路最大差異點,是圖七的電路增加設置photo transistorTR1、電阻R1,R2與voltage follower的OP增幅器(演算增幅器)IC1,此時流入TR1輸出電壓VSENS與白光LED的電流ILED可用下式表示:


《公式三 --------------(1)》
《公式三 --------------(1)》

此處假設時,則式(1)變成下式。


《公式四 ------------------------(2)》
《公式四 ------------------------(2)》

換句話說利用上式驅逐白光LED的場合,必需作下列調整作業:


  • ●為獲得周圍亮度必需調整照度感測器(sensor)的輸出電壓VSENS。


  • ●利用輸出電壓VSENS調整白光LED的亮度。



《圖六 switching regulator構成的基本LED驅動電路》
《圖六 switching regulator構成的基本LED驅動電路》
《圖七 利用周圍照度控制LED輝度的驅動電路》
《圖七 利用周圍照度控制LED輝度的驅動電路》

利用PWM信號使switching regulator作ON/OFF的輝度控制電路

上述圖七的驅動電路是在feed back電壓進行輝度控制,相較之下圖八是利用PWM信號使switching regulator作ON/OFF控制輝度。圖中的EN端子是可使switching regulator作ON/OFF的端子,如果對EN端子施加PWM信號,白光LED會以某種速度作ON/OFF,進而獲得控制輝度的預期效應,這種情況必需設置可使photo transistor TR1的輸出轉換成數位值的A-D轉換器(converter),以及可從數位值產生PWM信號的電路。


利用PWM信號控制白光LED ON/OFF的場合,流入白光LED的平均電流ILED(avg)可用下式表示:


《圖八 利用PWM信號控制LED輝度的驅動電路》
《圖八 利用PWM信號控制LED輝度的驅動電路》

白光LED專用驅動電路

接著要介紹白光LED專用驅動電路用NJU6502 IC。(圖九)是NJU6502 IC的電路方塊圖,NJU6502 IC除了switching regulator之外,還具備photo transistor輸入電路、A-D轉換器、PWM控制器,以及可從微控器(micro controller)設定內部阻抗值與動作模式的serial interface。PWM控制用電阻(resistor)共有八個,每個電阻都可任意設成六位元,各電阻可利用周圍照度亦即photo transistor產生的輸入電壓作選擇,換句話說輝度的控制可由64階段的其中任意八階段執行,此外周圍照度亦可由微控器直接控制輝度。


《圖九 NJU6052IC的電路方塊圖》
《圖九 NJU6052IC的電路方塊圖》

NJU6052 IC應用實例

由(圖十)可知NJU6052 IC除了可以作升壓與輝度控制之外,電路本身的外置元件非常少。NJU6052 IC的各元件參數(parameter)取決於下列條件:


  • (1)負載阻抗RL


  • 由於內部基準電壓VREF為0.6V,因此負載阻抗RL可利用流入LED的電流以及下式求得:



《公式六 -------------------------------(4)》
《公式六 -------------------------------(4)》
  • (2)內部振盪器的電容量CX


  • 內部振盪器的電容量CX可利用(圖十一)的座標圖求得。由於振盪頻率fosc介於350kHz~500kHz之間,因此內部振盪器的電容量約為47pF~68pF左右。



  • (3)的電感值(inductance)


  • 的電感值(inductance)可用下式求得:



《公式七 --------------------------(5)》
《公式七 --------------------------(5)》
  • (4)二極體的選用



由於二極體是用於switching regulator,因此選用時必需注二極體的定格電流與逆向耐壓裕度。此外順向電壓越低,switching的速度越快,電力轉換效率就越高,因此可選用shot key barrier二極體。


  • (5)pass control的選用


  • 輸入端可選用積層陶瓷積層陶瓷電容器,而且組裝時盡量設於IC附近。此外輸出端基於抑制波紋(ripple)電壓等考量,因此建議選用低ESR的電容。雖然輸出端也可以使用積層陶瓷電容器,不過必需注意的是如果電容量太大時放電時間會變長,進而造成與PWM信號的duty比成一定比例的調光控制無法進進行。



《圖十 利用NJU6052KN1 IC構成白光驅動電路》
《圖十 利用NJU6052KN1 IC構成白光驅動電路》
《圖十一 與的關係》
《圖十一 與的關係》

結語

以上介紹有關可攜式電子產品的液晶顯示器用白光LED的驅動技術,白光LED專用的驅動IC可使驅動電路獲得小型、高點燈效率等特性,進而使可攜式電子產品的電池延長動作時間。


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