越来越多的便携式消费电子产品配备了彩色显示屏，例如手机、数码相机、PDA、MP3、PMP播放器等，其中手机又占据了这个市场的绝大部分份额，从而导致了这两年来中小尺寸显示屏产业链的飞速发展。根据应用的不同，显示屏会有不同的种类，例如TFT-LCD、CSTN-LCD以及OLED显示屏，从市场的应用看，OLED显示屏只是在折叠式手机的副屏以及MP3的市场上占有一定的份额，而市场的主流依然是TFT和CSTN，这两种类型的LCD屏占据了现有的中小尺寸显示屏出货量的绝大部分。本文重点就中小尺寸的LCD显示屏的背光驱动解决方案作一个分析介绍。 

图1：一种典型的串联驱动电路。
背光驱动的技术分析 

LCD显示屏自身并不发光，为了可以清楚地看到LCD显示屏的内容，需要一定的白光背光源。在中小尺寸LCD显示屏中，一般采用白光LED作为显示屏的背光源。白色LED背光电源由数个白光LED组成，如手机、数码相机一般仅需要2到3个白光LED，而PDA和PMP则根据其显示屏的面积，可能需要3到6个LED。对背光驱动电路的要求是： 

1. 满足背光的亮度要求； 

2. 整个显示屏亮度均匀(不允许有某一部分较亮、另一部分较暗的情况)； 

3. 亮度可以方便地调节； 

4. 驱动电路占PCB空间要小； 

5. 工作效率高； 

6. 综合成本低； 

7. 对系统其它模块干扰小。 

根据应用场合不同，系统设计者关注的重点可能会有所差别,例如对于低成本的产品方案，可能会把整个驱动电路的成本放在第一位；对于手机应用，白光驱动电路对其他模块是否会产生EMI干扰则是要重点考虑的因素；而在MP3应用中，又有可能对EMI干扰不太关心。

图2：一种LED开路保护电路。
白光LED驱动器基本上有两种驱动方式：1. 采用电感升压式DC/DC升压变换的原理来驱动，所有的LED串联接在一起，一般也叫做串联型驱动方式；2. 采用升压式电荷泵驱动电路，所产生的电压一般在5V/4.5V或者是根据LED的正向导通电压而自适应确定的一个电压，所有的LED并联在一起，一般也叫做并联型驱动方式。 

串联驱动电路 

从技术发展的角度看，串联型驱动出现的比较早，技术上也比较成熟。以启攀微电子的CP2126为例，典型的串联型驱动电路如图1所示。 

以CP2126为例，一般而言，采用串联方式使流过每一个LED的电流都一样，则发光的均匀性好；同时由于其升压原理，所产生的电压依赖于LED导通指定电流时所需要的电压，反馈电压CS内部设定为95mV，可以计算出当需要15mA的LED电流时，R1的值应该为： 

无论是驱动2个LED还是多达5个LED，都可以通过改变R1的电阻值灵活地设定LED的亮度，在SHDN引脚施加一定占空比的PWM控制信号，可以使LED的亮度从不亮到满亮度之间无级变化。 

图3：两倍电荷泵驱动电路。

在CP2126的设计中注意了两个问题： 



1. 避免了EMI的干扰问题 



CP2126避免了一般的串联型LED驱动电路中电感和大电流开关所产生的EMI干扰问题，对于诸如MP3、PMP之类的应用场合，这个问题可能影响不大，但是在手机应用中，EMI干扰会造成手机的接收灵敏度变差。CP2126通过优化内部电路的设计，避免了这个问题。表1对比了两款串联驱动芯片在相同的应用情况下，对手机接收灵敏度的影响。 



可以看到，CP2126的工作与否对手机接收灵敏度的指标几乎没有影响，而芯片X在工作时，由于EMI的干扰造成了手机接收灵敏度的下降。同时，CP2126在输入3.6V驱动3个白光LED的典型应用情况下，可以达到83%的转换效率。 



PCB设计也会对电路性能有比较大的影响。一般而言高频部分的走线应该尽可能的短而粗，对地的过孔尽可能的大而多，在CP2126的相关资料中对此都有比较详细的说明。 



2. 内置输出开路保护电路 



在应用中，有可能出现LED的开路故障情况，在这种情况下，由于CS引脚的反馈电压始终为0，如果没有保护电路，这种升压型的电路就会一直升压直到内部的开关管被击穿而损坏。所以，没有内置开路保护电路的芯片会要求外部增加一个齐纳二极管，利用它的击穿来保护内部的开关管。保护电路如图2所示。 

图4：混合模式控制原理图。

显而易见，这样的保护电路又增加了系统的成本和PCB的面积，另一种保护方式是增加一个引脚，采用如SOT23－6L的封装，对VOUT的电压采样并进行检测。CP2126的设计可以保证外围应用电路无须做任何改动，在LED开路的情况下芯片依然不被损坏，当故障状态解除后，芯片又可以正常工作。 



并联驱动电路 



虽然串联驱动电路具备了效率高的优点，但是整体的解决方案需要一个电感和一个肖特基二极管，这又额外增加了系统成本，使得最终的综合成本和并联相比，并不一定有优势。同时，贴片电感的体积较大，一般有5.2×5.2mm2大小，同时还有可能产生EMI干扰。 



固定模式并联驱动电路 



早期的并联驱动电路只是解决了LED所需要的电压问题，它把电池电压统一通过电荷泵的方式升压到5V或者4.5V的这样一个固定的电压，然后每一个LED通过串联一定的电阻阻值来控制LED的电流。 



电荷泵电路的一个基本缺点在于，在给定的输出电压要求情况下，随着输入电压的变化，转换效率变化很大，理论上，两倍电荷泵电路所能达到的最高效率为： 







例如，当VIN=3.1V，VOUT=5V时，效率可以达到83.3%，由于内部器件的损耗，一般也可以达到80%以上。但是，当VIN=4.2V,VOUT=5V时，理论效率最高就只有59.5%。

图5：CP2130/1/3的工作效率图。

从图3中可以看到，CP2128外围元件只需要三个电容，根据驱动LED灯的数目的不同，需要1到5个电阻，和串联驱动电路相比，虽然具有效率不高的缺点，但是外围元件的成本和所占PCB面积都比较小，还可以说是一个成本相当低的解决方案。 



混合模式并联驱动电路 



为了能够和串联驱动相抗衡，并联驱动电路要重点解决两个问题：一个是效率，一个是电流匹配。为了提高效率，非常有必要引入新的工作模式。在这种情况下，驱动电路所产生的输出电压不再是一个固定值，而是一个适当并且可以驱动LED的电压值。 



一般来说，白光LED在工作电流为20mA时，正向导通电压一般在3.1~3.5V左右。锂电池的额定电压为3.6V或3.7V，充满电后的电压一般在4.2V~4.3V，锂离子电池允许深度放电到2.7V，但是在实际应用中，一般手机设置的强制关机电压为3.6V左右(不同整机厂商设定的强制关机电压可能不同)。在电池充满电后，这个电压足以直接驱动LED，在这种情况下，电荷泵电路不工作，电池的电压通过一个开关直接到VOUT然后驱动LED。而随着电池的放电，电池电压会逐步降低，当降低到一定程度不足以直接驱动LED时，电荷泵电路开始工作。所以集成多种驱动模式成为背光驱动的主流解决方案，即所谓集成1倍模式和1.5倍模式，并且在尽可能的情况下，让电路工作在1倍的直通模式下。启攀新推出的CP2130/1/3，很好的解决了这两个问题。其中CP2130可以最多驱动5个LED，CP2131可以最多驱动3个LED，CP2133可以最多驱动4个LED。图4为混合模式控制原理图。

图6：一种典型的混合模式驱动电路。

同样，对于系统应用而言，最关心的指标仍是效率和LED电流匹配度。所谓效率，尽可能地工作在1倍模式能够显著提高整个电池工作电压范围的电源转换效率。 



1. 效率 



对于关注的效率问题，CP2130/1/3实现了两种工作模式自适应动态切换(即根据电池电压和LED实际导通压降判断)，而不是固定电压点切换(即只考虑电池电压)，从而显著提高了效率。只要电池电压比LED的工作电压高350mV至550mV(根据EN1和EN2的引脚设定不同而不同)时，CP2130/1/3就可以工作在相对效率较高的一倍模式下。



图5所示为典型应用情况下CP2130/1/3的工作效率。可以看到效率根据工作模式的不同，是一个两段的折线图，80％的电池能量在3.6V~4.1V之间，在这个电压范围内可以获得平均80%以上的工作效率。 



2. 电流匹配度 



和串联驱动相比，并联驱动要解决的一个重要问题就是各个LED间的电流匹配，由于LED的发光亮度是和它的工作电流相关的，不一样的电流会导致显示屏的亮度不均匀。对于并联驱动的LED，在实际应用中，LED由于批次的不同和个体差异，在同样工作电流情况下的正向导通压降不同，可能会有50mV~200mV左右的电压差值，这要求在设计内部的电流控制电路时需要考虑到这个差异。CP2130/1/3采用申请了国家专利保护的Auto-Mirror技术，可以使得各并联白光LED电流匹配度几乎不随白光LED导通压降的差别而变化。即使导通压降差在50mV~200mV之间，LED的电流匹配度仍然可以达到2%以内。 



图6是一种典型应用情况，CP2130/1/3采用QFN 3*3mm2 16引脚的封装，同时外围元件相当简单，只需要4个电容。 



3. 支持PWM调光 



目前调光方式主要有两种，一种是通过改变LED的直流工作电流的方式来调整亮度，例如，有的芯片通过设置内部的寄存器来直接设置LED的直流工作电流，从而达到不同的亮度级，这种方式的缺点是可能会产生色移。所谓白光LED，其实是利用一种作为其管芯的蓝光ＬＥＤ所发出的短波长紫蓝光，激发涂布于输出光学透镜内壁的荧光材料，进而产生波谱较宽的白色复合光。在非额定电流工作情况下，LED所产生的光谱会有变化，导致最终的白光有色移。

表1：LED驱动电路对手机信号接收灵敏度影响的对比测试

而另一种方式就是PWM调光，利用人眼的视觉暂停原理，以一定的频率和占空比来周期性的控制白光LED的导通电流在零电流到额定工作电流之间来回切换，从而调整亮度，这种调光方式就不会产生色移。在应用时，为了确保人眼看不到LED周期亮灭的情况，PWM调光的频率一般要大于100Hz，CP2130/1/3可以支持0~50kHz的调光频率范围，这样大大方便了系统的设计。并且由于芯片优越的环路控制特性，保证了调光过程的平稳，消除了可能潜在的噪声干扰。 



同时对于第一种调光方法，CP2130/1/3也设置了满量程、2/3量程和1/3量程三个电流等级来实现直流调光方式。