資料介紹
??引言
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??平板電腦市場預計將從今年的5千萬多臺,增長到2016年的2億多臺。盡管如此,現在仍然沒有標準的平板電腦架構。例如,一些平板電腦通過單節鋰離子電池來供電,而另一些則使用兩節鋰離子電池。無論使用多少節電池,所有平板電腦制造廠商都想最大化電池使用時間。顯示器的背光是平板電腦中最為耗電的系統之一。顯示器的尺寸從7英寸到10英寸,不一而足。最近發布的平板電腦中,背光LED的數目范圍為20到36支。本文將指導讀者如何選擇最佳的WLED驅動器和LED串配置,以在不犧牲效率和電池使用時間的情況下滿足平板電腦應用要求。
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??平板電腦背光要求
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??與筆記本電腦或者上網本一樣,平板電腦背光驅動器應用同樣基于DC/DC轉換器和接地電阻通路,以用于LED。這種應用一般具有如下一些要求:
??1、RF范圍內低
??2、亮度高度期間無可視閃爍
??3、陶瓷輸出電容壓電嗡嗡聲引起的可聽噪聲最小
??4、顯示器亮度一致
??5、高調光比
??6、最高效率,實施最大電池使用時間
??滿足第一個要求即RF范圍內低EMI相對較為容易。數年來,電源設計人員一直在為實施這個目標而努力,他們嘗試了許多方法,例如:將開關頻率和并發諧波設置在RF范圍以外,使用屏蔽電感,在合適的情況下給最小的長度但卻使用較寬的導線,諸如此類。一些驅動器IC已經將MOSFET柵極同分層上升時間集成,以減少RF范圍內的噪聲。
??亮度調節類型極大地影響后面四個要求。使用脈寬調制(PWM)亮度調節時,LED電流在調節過程中以其最大電流水平脈沖開和關,來產生平均DC LED電流。這時,只要PWM亮度調節頻率遠高于60 Hz,背光閃爍就不那么明顯。如果使用模擬亮度調節,則閃爍就不是一個問題,因為亮度調節時LED DC電流水平降至其最大值以下。
??第三個要求,即陶瓷電容的可聽噪聲最小,與驅動器的拓撲結構有關。圖1顯示了一個簡單的驅動器,其電流檢測電阻器作為LED電流的接地通路。轉換器對電流檢測電阻器的電壓進行調節,從而控制LED電流。
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??圖2顯示了集成電流阱的驅動器。該驅動器對每個電流阱的電壓進行采樣,確保轉換器能夠提供剛好足夠的功率,以維持電流阱正常工作。
??與閃爍一樣,使用模擬亮度調節時不存在問題,因為輸出電容電壓只有很小的變化,以適應LED電流的微小變化。但是,如果使用PWM亮度調節,則驅動器防止輸出電容放電的方式就變得很重要。最簡單的驅動器在驅動器反饋(FB)引腳到接地之間也有一個電阻器,驅動器的轉換器有效關閉時,輸出電容在低亮度調節占空比時開始急劇放電。更為復雜的一些驅動器集成了電流阱(如圖2所示),其可以取代電流檢測電阻器。它們只需開啟吸收器以及為LED供電的DC/DC轉換器,從而移除了輸出電容的放電和再充電通路。
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??第四個要求,即一致的顯示器亮度,可通過精確匹配所有串的LED電流完美實現。集成電流阱驅動器的關鍵特性是串之間的極精確匹配。就無集成電流阱的一些驅動器而言,鎮流電阻器與LED串聯放置可改善串之間的匹配。
??第五個要求,即高亮度調節比(例如:0.1%,或者1000:1),不管是使用模擬調節還是PWM調節,利用一個簡單驅動器來實現都較為困難。在低占空因數下使用模擬亮度調節時,模擬控制電壓變得如此之低,以至于IC的漏電流和補償電壓會極大地降低精確度。使用簡單驅動器的PWM亮度調節是最為常見的實現方法,其通過完全開關轉換器來實現。這種亮度調節產生轉換器軟啟動時間,迫使PWM亮度調節頻率變得非常低,接近閃爍范圍。占空因數讓輸出電容在再充電期間放電和嗡鳴。因此,利用集成電流阱,可以完美地實現高亮度調節比,因為它可以非常快速地開關。
??第六個和最后一個要求,即高效率,不僅僅與驅動器有關,也與LED配置結構有關。驅動器DC/DC轉換器的功率MOSFET、電感以及整流二極管,共同決定轉換器的效率。簡單驅動器的接地通路為電流檢測電阻器。轉換器的FB電壓越低,總驅動器效率就越高。同樣地,對于一個集成電流阱的驅動器來說,這些吸收器的最小工作電壓越低,驅動器的效率也就越高。簡單驅動器幾乎總是比帶電流阱的驅動器的效率要高,假設條件是它們兩者具有完全相同的內部組件,因為電流阱一般比電流檢測電阻器要求更高的偏壓。但是,為了滿足平板電腦的其它性能要求,集成電流阱的驅動器一般是最佳的選擇。
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??最佳LED配置
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??通過選擇串的最佳數目以及每串LED的最佳數目,來最小化功耗和最大化電池使用時間,是一項具有挑戰性的工作。使用更少的串,要求每串有更多的LED,并且會導致升壓轉換器更高的輸出電壓。升壓轉換器輸入和輸出電壓之間的差異越大,其效率也就越低。另外,更多的串會導致更高的總輸出電流,以及更高的電感和升壓整流二極管損耗。圖3顯示了不同串聯(S)和并聯(P)組合時三種不同LED配置的模擬升壓功率級效率。使用更多的串,可讓每串的LED更少,并提供更低的輸出電壓,但它要求更多的電流阱,不得不消耗更多的功率,從而降低驅動器的總效率。
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??圖4顯示的是總驅動器效率,其包括圖3所示相同LED配置的功率級和電流阱效率。由該曲線圖,我們可以清楚地看到20支LED采用5支LED串聯為一串、4串并聯在一起(5S4P)的配置,24支LED采用6S4P配置,而36支LED采用6S6P配置時,出現最佳模擬效率。根據這些結果,最大化平板電腦背光驅動器效率的經驗法則是,選擇相等或者盡可能相互接近的S和P數目,但是在只有兩個可選的情況下P的數目應小一些。
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??示例背光配置
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??根據前面的分析,具有集成電流阱的背光驅動器,例如:德州儀器TPS61181A筆記本電腦背光驅動器,可以針對平板電腦背光進行優化(參見圖5)。對于那些使用兩節鋰離子電池的平板電腦而言,驅動器和升壓功率級都可以直接通過電池供電。而對于那些只使用單節鋰離子電池的平板電腦來說,驅動器偏壓軌可以由面板的AVDD軌或者系統的另一個電源(4.5V 或者更高)來供電。由于TPS61181A能夠提供比大多數平板電腦要求的功率稍微更高一些的功率(也就是說,功率FET稍微過大,因此RDS(on)非常低),所以相比專為該輸出功率而設計的轉換器,這種轉換器的功耗更低,從而進一步最大化了效率。圖6顯示了6S6P配置TPS61161A的測得效率結果。
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??圖5:為平板電腦背光供電的TPS61181A(點擊查看原圖)
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