液晶顯示屏，是一種數(shù)字顯示技術(shù)，可以通過液晶和彩色過濾器過濾光源，在平面面板上產(chǎn)生圖象。與傳統(tǒng)的陰極射線管（CRT）相比，LCD占用空間小，低功耗，低輻射，無閃爍，降低視覺疲勞。早在1888年，人們就發(fā)現(xiàn)液晶這一呈液體狀的化學(xué)物質(zhì)，象磁場中的金屬一樣，當(dāng)受到外界電場影響時(shí)，其分子會產(chǎn)生的有序排列。如果對分子的排列加以適當(dāng)?shù)目刂疲壕Х肿訉试S光線穿越。無論是筆記本電腦還是桌面系統(tǒng)，采用的LCD顯示屏都是由不同部分組成的分層結(jié)構(gòu)。位于面的一層是由熒光物質(zhì)組成的可以發(fā)射光線的背光層。背光層發(fā)出的光線在穿過層偏振過濾層之后進(jìn)入包含成千上萬水晶液滴的液晶層。液晶層中的水晶液滴都被包含在細(xì)小的單元格結(jié)構(gòu)中，一個(gè)或多個(gè)單元格構(gòu)成屏幕上的一個(gè)像素。當(dāng)LCD中的電極產(chǎn)生電場時(shí)，液晶分子就會產(chǎn)生扭曲，從而將穿越其中的光線進(jìn)行有規(guī)則的折射，然后經(jīng)過第二層過濾層的過濾在屏幕上顯示出來。

　　近兩年來，彩色LCD顯示屏在手機(jī)中使用量越來越大，從而導(dǎo)致了中小尺寸顯示屏產(chǎn)業(yè)鏈的飛速發(fā)展。按照應(yīng)用方式的不同，顯示屏?xí)胁煌姆N類，例如TFT-LCD、CSTN-LCD以及OLED顯示屏，從市場的應(yīng)用看，OLED顯示屏只是在折疊式手機(jī)的副屏以及MP3的市場上占有一定的份額，而市場的主流依然是TFT和CSTN,這兩種類型的LCD屏占據(jù)了現(xiàn)有的中小尺寸顯示屏出貨量的絕大部分。本文重點(diǎn)就中小尺寸的LCD顯示屏的背光驅(qū)動解決方案作一個(gè)分析介紹。

　　背光驅(qū)動的技術(shù)分析

　　LCD顯示屏自身并不發(fā)光，為了可以清楚地看到LCD顯示屏的內(nèi)容，需要一定的白光背光源。在中小尺寸LCD顯示屏中，一般采用白光LED作為顯示屏的背光源。白色LED背光電源由數(shù)個(gè)白光LED組成，如手機(jī)、數(shù)碼相機(jī)一般僅需要2到3個(gè)白光LED,而PDA和PMP則根據(jù)其顯示屏的面積，可能需要3到6個(gè)LED.對背光驅(qū)動電路的要求是：

　　◆ 滿足背光的亮度要求；

　　◆ 整個(gè)顯示屏亮度均勻（不允許有某一部分較亮、另一部分較暗的情況）；

　　◆ 亮度可以方便地調(diào)節(jié)；

　　◆ 驅(qū)動電路占PCB空間要小；

　　◆ 工作效率高；

　　◆ 綜合成本低；

　　◆ 對系統(tǒng)其它模塊干擾小。

　　根據(jù)應(yīng)用場合不同，系統(tǒng)設(shè)計(jì)者關(guān)注的重點(diǎn)可能會有所差別，例如對于低成本的產(chǎn)品方案，可能會把整個(gè)驅(qū)動電路的成本放在位；對于手機(jī)應(yīng)用，白光驅(qū)動電路對其他模塊是否會產(chǎn)生EMI干擾則是要重點(diǎn)考慮的因素；而在MP3應(yīng)用中，又有可能對EMI干擾不太關(guān)心。

　　白光LED驅(qū)動器基本上有兩種驅(qū)動方式：⑴ 采用電感升壓式DC/DC升壓變換的原理來驅(qū)動，所有的LED串聯(lián)接在一起，一般也叫做串聯(lián)型驅(qū)動方式；⑵ 采用升壓式電荷泵驅(qū)動電路，所產(chǎn)生的電壓一般在5V/4.5V或者是根據(jù)LED的正向?qū)妷憾赃m應(yīng)確定的一個(gè)電壓，所有的LED并聯(lián)在一起，一般也叫做并聯(lián)型驅(qū)動方式。

　　串聯(lián)驅(qū)動電路

　　從技術(shù)發(fā)展的角度看，串聯(lián)型驅(qū)動出現(xiàn)的比較早，技術(shù)上也比較成熟。以啟攀微電子的CP2126為例，典型的串聯(lián)型驅(qū)動電路如圖1所示。

　　以CP2126為例，一般而言，采用串聯(lián)方式使流過每一個(gè)LED的電流都一樣，則發(fā)光的均勻性好；同時(shí)由于其升壓原理，所產(chǎn)生的電壓依賴于LED導(dǎo)通指定電流時(shí)所需要的電壓，反饋電壓CS內(nèi)部設(shè)定為95mV,可以計(jì)算出當(dāng)需要15mA的LED電流時(shí)，R1的值應(yīng)該為：

　　無論是驅(qū)動2個(gè)LED還是多達(dá)5個(gè)LED,都可以通過改變R1的電阻值靈活地設(shè)定LED的亮度，在SHDN引腳施加一定占空比的PWM控制信號，可以使LED的亮度從不亮到滿亮度之間無級變化。

　　在CP2126的設(shè)計(jì)中注意了兩個(gè)問題：

　　1. 避免了EMI的干擾問題

　　CP2126避免了一般的串聯(lián)型LED驅(qū)動電路中電感和大電流開關(guān)所產(chǎn)生的EMI干擾問題，對于諸如MP3、PMP之類的應(yīng)用場合，這個(gè)問題可能影響不大，但是在手機(jī)應(yīng)用中，EMI干擾會造成手機(jī)的接收靈敏度變差。CP2126通過優(yōu)化內(nèi)部電路的設(shè)計(jì)，避免了這個(gè)問題。表1對比了兩款串聯(lián)驅(qū)動芯片在相同的應(yīng)用情況下，對手機(jī)接收靈敏度的影響。

　　可以看到，CP2126的工作與否對手機(jī)接收靈敏度的指標(biāo)幾乎沒有影響，而芯片X在工作時(shí)，由于EMI的干擾造成了手機(jī)接收靈敏度的下降。同時(shí)，CP2126在輸入3.6V驅(qū)動3個(gè)白光LED的典型應(yīng)用情況下，可以達(dá)到83%的轉(zhuǎn)換效率。

　　2. 內(nèi)置輸出開路保護(hù)電路

　　在應(yīng)用中，有可能出現(xiàn)LED的開路故障情況，在這種情況下，由于CS引腳的反饋電壓始終為0,如果沒有保護(hù)電路，這種升壓型的電路就會一直升壓直到內(nèi)部的開關(guān)管被擊穿而損壞。所以，沒有內(nèi)置開路保護(hù)電路的芯片會要求外部增加一個(gè)齊納二極管，利用它的擊穿來保護(hù)內(nèi)部的開關(guān)管。保護(hù)電路如圖2所示。

　　這樣的保護(hù)電路又增加了系統(tǒng)的成本和PCB的面積，另一種保護(hù)方式是增加一個(gè)引腳，采用如SOT23-6L的封裝，對VOUT的電壓采樣并進(jìn)行檢測。CP2126的設(shè)計(jì)可以保證外圍應(yīng)用電路無須做任何改動，在LED開路的情況下芯片依然不被損壞，當(dāng)故障狀態(tài)解除后，芯片即可正常工作。

　　并聯(lián)驅(qū)動電路

　　固定模式并聯(lián)驅(qū)動電路

　　早期的并聯(lián)驅(qū)動電路只是解決了LED所需要的電壓問題，它把電池電壓統(tǒng)一通過電荷泵的方式升壓到5V或者4.5V的這樣一個(gè)固定的電壓，然后每一個(gè)LED通過串聯(lián)一定的電阻阻值來控制LED的電流。

　　電荷泵電路的一個(gè)基本缺點(diǎn)在于，在給定的輸出電壓要求情況下，隨著輸入電壓的變化，轉(zhuǎn)換效率變化很大，理論上，兩倍電荷泵電路所能達(dá)到的效率為：Eff=VOUT/(2*VIN)*100%。

　　從圖3中可以看到，CP2128外圍元件只需要三個(gè)電容，根據(jù)驅(qū)動LED燈的數(shù)目的不同，需要1到5個(gè)電阻，和串聯(lián)驅(qū)動電路相比，雖然具有效率不高的缺點(diǎn)，但是外圍元件的成本和所占PCB面積都比較小，還可以說是一個(gè)成本相當(dāng)?shù)偷慕鉀Q方案。

　　混合模式并聯(lián)驅(qū)動電路

　　通常情況下，在電池充滿電以后，這個(gè)電壓足以直接驅(qū)動LED,這時(shí)，電荷泵電路不工作，電池的電壓通過一個(gè)開關(guān)直接到VOUT然后驅(qū)動LED.而隨著電池的放電，電池電壓會逐步降低，當(dāng)降低到一定程度不足以直接驅(qū)動LED時(shí)，電荷泵電路開始工作。所以集成多種驅(qū)動模式成為背光驅(qū)動的主流解決方案，即所謂集成1倍模式和1.5倍模式，并且在盡可能的情況下，讓電路工作在1倍的直通模式下。啟攀新推出的CP2130/1/3,很好的解決了這兩個(gè)問題。其中CP2130可以多驅(qū)動5個(gè)LED,CP2131可以多驅(qū)動3個(gè)LED,CP2133可以多驅(qū)動4個(gè)LED.圖4為混合模式控制原理圖。

　　對于系統(tǒng)應(yīng)用而言，關(guān)心的指標(biāo)仍是效率和LED電流匹配度。所謂效率，盡可能地工作在1倍模式能夠顯著提高整個(gè)電池工作電壓范圍的電源轉(zhuǎn)換效率。

　　1. 效率

　　圖5所示為典型應(yīng)用情況下CP2130/1/3的工作效率。可以看到效率根據(jù)工作模式的不同，是一個(gè)兩段的折線圖，80%的電池能量在3.6V~4.1V之間，在這個(gè)電壓范圍內(nèi)可以獲得平均80%以上的工作效率。

　　2. 電流匹配度

　　和串聯(lián)驅(qū)動相比，并聯(lián)驅(qū)動要解決的一個(gè)重要問題就是各個(gè)LED間的電流匹配，由于LED的發(fā)光亮度是和它的工作電流相關(guān)的，不一樣的電流會導(dǎo)致顯示屏的亮度不均勻。對于并聯(lián)驅(qū)動的LED,在實(shí)際應(yīng)用中，LED由于批次的不同和個(gè)體差異，在同樣工作電流情況下的正向?qū)▔航挡煌?，可能會?0mV~200mV左右的電壓差值，這要求在設(shè)計(jì)內(nèi)部的電流控制電路時(shí)需要考慮到這個(gè)差異。CP2130/1/3采用申請了國家保護(hù)的Auto-Mirror技術(shù)，可以使得各并聯(lián)白光LED電流匹配度幾乎不隨白光LED導(dǎo)通壓降的差別而變化。即使導(dǎo)通壓降差在50mV~200mV之間，LED的電流匹配度仍然可以達(dá)到2%以內(nèi)。

　　圖6是一種典型應(yīng)用情況，CP2130/1/3采用QFN 3*3mm2 16引腳的封裝，同時(shí)外圍元件相當(dāng)簡單，只需要4個(gè)電容。

　　3.支持PWM調(diào)光

　　目前調(diào)光方式主要有兩種，一種是通過改變LED的直流工作電流的方式來調(diào)整亮度。在非額定電流工作情況下，LED所產(chǎn)生的光譜會有變化，導(dǎo)致終的白光有色移。而另一種方式就是PWM調(diào)光，利用人眼的視覺暫停原理，以一定的頻率和占空比來周期性的控制白光LED的導(dǎo)通電流在零電流到額定工作電流之間來回切換，從而調(diào)整亮度，這種調(diào)光方式就不會產(chǎn)生色移。在應(yīng)用時(shí)，為了確保人眼看不到LED周期亮滅的情況。由于芯片優(yōu)越的環(huán)路控制特性，保證了調(diào)光過程的平穩(wěn)，消除了可能潛在的噪聲干擾。

　　同時(shí)對于種調(diào)光方法，CP2130/1/3也設(shè)置了滿量程、2/3量程和1/3量程三個(gè)電流等級來實(shí)現(xiàn)直流調(diào)光方式。

　　本文介紹了目前比較常用的兩種背光驅(qū)動解決方案。串聯(lián)驅(qū)動電路具備效率高的優(yōu)點(diǎn)，但是外圍元件比較多，而并聯(lián)驅(qū)動電路經(jīng)過不斷的發(fā)展，已經(jīng)由初單純的兩倍電荷泵模式電壓控制型電路變成自適應(yīng)模式選擇加電流控制的電路。這樣的電路具備了外圍元件數(shù)目少，綜合成本低的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)也避免了串聯(lián)驅(qū)動電路通?？赡苡械腅MI干擾問題。并聯(lián)驅(qū)動電路的方案已成為背光驅(qū)動電路的主流方案。