如何为手机选择低成本高性能的背光驱动芯片
2010-12-18 11:02:53
来源：《半导体器件应用》2009年9月刊
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。
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，其基本架构如下：
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。
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3.0V~3.2V之间。
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。
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。
AW9301就是这样一款低压降恒流型芯片，它采用了专利的Q-MirrorTM架构，仅需要40mV的恒流源压降即可保证20mA的WLED电流。也就是说，当WLED的VF为3.1V时，只要电池电压高于3.14V，即可保证WLED的电流恒定不变，从而保证背光的亮度不变。
在驱动3个WLED或者2个WLED的时候，SOT23-6L封装的AW9301是比较合适的选择。
在驱动4个WLED时，AW9364是比较好的选择，AW9364提供三种不同的封装类型，QFN3mm×3mm-16L封装可以兼容传统的电荷泵型封装形式，MSOP-8L是最经济的封装形式，DFN2mm×2mm-8L的封装是占PCB面积最小的封装形式。
和分数电荷泵型WLED驱动器相比，低压降恒流型有几个改进：
(1) 适应了WLED的VF的下降的趋势，不再需要电荷泵进行升压，节省了外部元件，分数电荷泵型WLED驱动器一般需要使用4个外围电容，而低压降恒流型WLED驱动器仅需要一个外围电容。
(2) 线性工作，无须开关升压，同时一线脉冲的调光方式会让背光驱动模块工作电流更为恒定，减少对其他模块的干扰。
(3) 芯片外围引脚数目变少，因此可以采用更为经济有效的封装、或者采用更小的封装，使得最终背光驱动解决方案更加经济、占板面积更小。
总之，在外围应用电路的复杂度以及成本控制上，低压降恒流型WLED驱动器比分数电荷泵型WLED驱动器更具优势。
3寸以上屏WLED驱动器架构
对于一些有较多附加功能的手机，比如可以灵活播放视频的智能手机、可以收看电视的CMMB手机，一般会采用3寸或者3寸以上的LCD屏，可能需要5~6个WLED来给LCD屏提供背光。这种类型的手机除了一般的基带套片外，还可能会有额外的应用处理器(AP)或者CMMB模块，这些模块在工作时会消耗比较大的电流，考虑到锂离子电池的输出阻抗，会造成锂离子电池输出电压有较大的下降。为了防止电池电压在RF PA工作时电压突变太多可能造成的屏闪现象，需要给低压降恒流型加一个“保险”。这时，1X/2X自适应双模电荷泵型WLED驱动器会是比较好的选择。
1X/2X自适应双模电荷泵型WLED驱动器和传统的分数电荷泵型WLED驱动器相比，外围只需要一个飞电容，节省了外围元件。同时，AW9656采用了专利的Q-ModeTM算法来控制驱动器的工作模式，尽可能使驱动器工作在1X模式下从而来保证在锂离子电量范围内的最大寿命。例如：对于VF为3.1V的WLED，AW9656可以保证当锂离子电池电压在3.4V以上的时候，依然停留在1X工作模式下，这样尽可能的提升了电池使用寿命。16级线性一线调光方式，使得WLED的工作电流恒定，也尽可能的避免了背光模块工作时可能对其他模块造成的干扰。
总结
通过上述的对比分析，可以看出低压降恒流型WLED驱动器在手机背光应用上具有更大的成本优势。当然，要根据具体情况来选择合适的WLED驱动器。相对电荷泵型WLED驱动器，低压降恒流源WLED驱动器以低成本、较高的性价比，近一两年年来在普及型手机产品中占据越来越多的市场份额。对于中小尺寸的LCD屏，低压降恒流型WLED驱动器是比较合适的驱动方式，对于3寸以上的屏，要考虑重负载情况下电池输出电压的波动增大可能造成的“屏闪现象”，这种情况下，1X/2X自适应双模电荷泵型WLED驱动器会是比较合适的选择。
随着LED产业的不断发展，WLED的正向压降也在不断的下降。加上普及型手机产品苛求成本下降，选择更具性价比的WLED驱动器是手机基带工程师的一个重要任务。
（来源：中通网）
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。
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，其基本架构如下：
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。
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3.0V~3.2V之间。
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。
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。
AW9301就是这样一款低压降恒流型芯片，它采用了专利的Q-MirrorTM架构，仅需要40mV的恒流源压降即可保证20mA的WLED电流。也就是说，当WLED的VF为3.1V时，只要电池电压高于3.14V，即可保证WLED的电流恒定不变，从而保证背光的亮度不变。
在驱动3个WLED或者2个WLED的时候，SOT23-6L封装的AW9301是比较合适的选择。
在驱动4个WLED时，AW9364是比较好的选择，AW9364提供三种不同的封装类型，QFN3mm×3mm-16L封装可以兼容传统的电荷泵型封装形式，MSOP-8L是最经济的封装形式，DFN2mm×2mm-8L的封装是占PCB面积最小的封装形式。
和分数电荷泵型WLED驱动器相比，低压降恒流型有几个改进：
(1) 适应了WLED的VF的下降的趋势，不再需要电荷泵进行升压，节省了外部元件，分数电荷泵型WLED驱动器一般需要使用4个外围电容，而低压降恒流型WLED驱动器仅需要一个外围电容。
(2) 线性工作，无须开关升压，同时一线脉冲的调光方式会让背光驱动模块工作电流更为恒定，减少对其他模块的干扰。
(3) 芯片外围引脚数目变少，因此可以采用更为经济有效的封装、或者采用更小的封装，使得最终背光驱动解决方案更加经济、占板面积更小。
总之，在外围应用电路的复杂度以及成本控制上，低压降恒流型WLED驱动器比分数电荷泵型WLED驱动器更具优势。
3寸以上屏WLED驱动器架构
对于一些有较多附加功能的手机，比如可以灵活播放视频的智能手机、可以收看电视的CMMB手机，一般会采用3寸或者3寸以上的LCD屏，可能需要5~6个WLED来给LCD屏提供背光。这种类型的手机除了一般的基带套片外，还可能会有额外的应用处理器(AP)或者CMMB模块，这些模块在工作时会消耗比较大的电流，考虑到锂离子电池的输出阻抗，会造成锂离子电池输出电压有较大的下降。为了防止电池电压在RF PA工作时电压突变太多可能造成的屏闪现象，需要给低压降恒流型加一个“保险”。这时，1X/2X自适应双模电荷泵型WLED驱动器会是比较好的选择。
1X/2X自适应双模电荷泵型WLED驱动器和传统的分数电荷泵型WLED驱动器相比，外围只需要一个飞电容，节省了外围元件。同时，AW9656采用了专利的Q-ModeTM算法来控制驱动器的工作模式，尽可能使驱动器工作在1X模式下从而来保证在锂离子电量范围内的最大寿命。例如：对于VF为3.1V的WLED，AW9656可以保证当锂离子电池电压在3.4V以上的时候，依然停留在1X工作模式下，这样尽可能的提升了电池使用寿命。16级线性一线调光方式，使得WLED的工作电流恒定，也尽可能的避免了背光模块工作时可能对其他模块造成的干扰。
总结
通过上述的对比分析，可以看出低压降恒流型WLED驱动器在手机背光应用上具有更大的成本优势。当然，要根据具体情况来选择合适的WLED驱动器。相对电荷泵型WLED驱动器，低压降恒流源WLED驱动器以低成本、较高的性价比，近一两年年来在普及型手机产品中占据越来越多的市场份额。对于中小尺寸的LCD屏，低压降恒流型WLED驱动器是比较合适的驱动方式，对于3寸以上的屏，要考虑重负载情况下电池输出电压的波动增大可能造成的“屏闪现象”，这种情况下，1X/2X自适应双模电荷泵型WLED驱动器会是比较合适的选择。
随着LED产业的不断发展，WLED的正向压降也在不断的下降。加上普及型手机产品苛求成本下降，选择更具性价比的WLED驱动器是手机基带工程师的一个重要任务。
（来源：中通网）
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