平板電腦的背光技術與驅動器的選擇和配置

　　引言

　　預計，平板電腦市場將從2011年的5000萬臺，增長到2016年的2億多臺。但盡管如此，到目前為止還沒有標準的平板電腦架構。一些平板電腦通過單節鋰電池來供電，而另一些則使用兩節鋰電池。無論使用多少節鋰電池，所有平板電腦制造廠商都想最大化地提高電池的使用時間。此外，顯示器的背光是平板電腦中最為耗電的系統之一。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，在不犧牲效率和電池使用時間的情況下滿足平板電腦的應用要求。

　　平板電腦背光要求

　　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要求：

　　1、RF范圍內低EMI

　　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PCB設計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 柵極驅動電路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，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。

　　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。

　　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。

　　最佳LED配置

　　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。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。

　　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。

　　示例背光配置

　　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3）。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4顯示了6S6P配置TPS61161A的測得效率結果。