本文将讨论广泛应用于手机与PDA等可携式设备中的LED及其相关驱动电路" title="驱动电路">驱动电路，除了将焦点放在最新的LED应用外，也将检视白光LED的发展，最后将针对LCD背光、装饰用照明与指示以及照相手机上闪光灯等驱动电路的结构与最新功能提供图解说明。

　　由于具备高照明效率、长效性与小体积，LED已经成为以电池做为主要电源的可携式设备，例如手机与PDA等的首要选择，约0.1W的低耗电白光LED目前正广泛应用在LCD显示面板的背光与键盘照明上，当然也可以透过连接多颗LED带来较高的亮度以做为临时照明或闪光灯等应用。而可达1W的高功率LED" title="高功率LED">高功率LED则应用在配备200万画素，甚至更高解析度的照相手机中，以支援黑暗环境中的摄影动作。

　　除了白光LED外，RGB(红、绿、蓝)光LED也经常被用来强化手机的质感，透过将这三种色彩精确适当地混和，RGBLED可以创造出丰富多样的色彩表现。在指示应用上，当有来电或是讯息到达时可以让彩色LED闪烁，或利用色彩来显示发话者的身分，如朋友、家人、或业务往来的来电等自行定义的群组，这项功能不仅为手机带来个人化功能，同时也在使用者身处非常吵杂的环境中时相当有用。

　　为进一步强化使用者的影音感受，RGBLED也同时用来产生许多吸引人的发光效果，其中一个例子是将RGB的发光动作与响铃的旋律或MP3音乐加以同步，另一个RGB发光的有趣应用则是Panasonic公司的Feel*Talk功能，由于RGBLED被安排在手机的机壳下方，因此可以依使用者的心情显示不同的色彩。

　　主要白光LED供应商

　　目前广泛应用在可携式设备LCD与键盘背光的白光LED，是由日商日亚(Nichia)化学公司于1996年推出，透过以淡黄色萤光物质涂布在氮化镓(GaN)与铟氮化镓(InGaN)材质的蓝光LED上来达成白光的效果。另外，蓝光与绿光LED的发展则扩展了LED色彩输出的丰富度。

　　然而，在上世纪90年代末期，日本、美国与欧洲等地主要LED制造商间的多重专利侵权问题阻碍了新制造商进入这个市场的可能性。但幸运地是，这些法律诉讼逐渐透过相互授权协商获得解决，部分制造商如Nichia、ToyodaGosei、Cree、PhilipsLumileds与OSRAM等更在当时确立了其领先地位。除此之外，数年前台湾与南韩两地的新进厂商开始崛起，并在过去2年逐渐尝到了营业额高度增长的成果。

　　本文将讨论广泛应用于手机与PDA等可携式设备中的LED及其相关驱动电路，除了将焦点放在最新的LED应用外，也将检视白光LED的发展，最后将针对LCD背光、装饰用照明与指示以及照相手机上闪光灯等驱动电路的结构与最新功能提供图解说明。

　　由于具备高照明效率、长效性与小体积，LED已经成为以电池做为主要电源的可携式设备，例如手机与PDA等的首要选择，约0.1W的低耗电白光LED目前正广泛应用在LCD显示面板的背光与键盘照明上，当然也可以透过连接多颗LED带来较高的亮度以做为临时照明或闪光灯等应用。而可达1W的高功率LED则应用在配备200万画素，甚至更高解析度的照相手机中，以支援黑暗环境中的摄影动作。

　　除了白光LED外，RGB(红、绿、蓝)光LED也经常被用来强化手机的质感，透过将这三种色彩精确适当地混和，RGBLED可以创造出丰富多样的色彩表现。在指示应用上，当有来电或是讯息到达时可以让彩色LED闪烁，或利用色彩来显示发话者的身分，如朋友、家人、或业务往来的来电等自行定义的群组，这项功能不仅为手机带来个人化功能，同时也在使用者身处非常吵杂的环境中时相当有用。

　　为进一步强化使用者的影音感受，RGBLED也同时用来产生许多吸引人的发光效果，其中一个例子是将RGB的发光动作与响铃的旋律或MP3音乐加以同步，另一个RGB发光的有趣应用则是Panasonic公司的Feel*Talk功能，由于RGBLED被安排在手机的机壳下方，因此可以依使用者的心情显示不同的色彩。

　　主要白光LED供应商

　　目前广泛应用在可携式设备LCD与键盘背光的白光LED，是由日商日亚(Nichia)化学公司于1996年推出，透过以淡黄色萤光物质涂布在氮化镓(GaN)与铟氮化镓(InGaN)材质的蓝光LED上来达成白光的效果。另外，蓝光与绿光LED的发展则扩展了LED色彩输出的丰富度。

　　然而，在上世纪90年代末期，日本、美国与欧洲等地主要LED制造商间的多重专利侵权问题阻碍了新制造商进入这个市场的可能性。但幸运地是，这些法律诉讼逐渐透过相互授权协商获得解决，部分制造商如Nichia、ToyodaGosei、Cree、PhilipsLumileds与OSRAM等更在当时确立了其领先地位。除此之外，数年前台湾与南韩两地的新进厂商开始崛起，并在过去2年逐渐尝到了营业额高度增长的成果。

　　LED效能大幅提升

　　在大量资金投入LED开发后，白光LED的照明效率比起刚发明时有了大幅的改善，目前市场上最佳的白光LED照明" title="LED照明">LED照明效率可以达到100lm/W，相当接近日光灯管，而领先市场的开发公司也尝试在蓝光LED上使用不同的涂布物质，并提出具备更佳发光效率的原型设计，因此预估提供面板背光所需的LED数目将持续下滑，目前手机上标准LCD面板所需的背光用LED大约在2到4颗，而PDA或智慧型手机上LCD面板的背光则需要6到10颗。

　　能够持续以1W推动的高功率LED最早由PhilipsLumileds在1990年代后期推出，此后其他供应商如Nichia、Cree与OSRAM也陆续发表高亮度LED，由于低功率LED价格的下滑，因此所有主要LED生产商都将焦点放在可以应用在大型LCD面板背光以及日常照明上高效率LED的开发，这些开发动作最终将可望拉低目前仅使用在高阶照相手机中高功率LED的单价。

　　在进一步讨论LED背光与闪光灯的驱动电路结构与新功能前，让我们先回顾一下手机与PDA中广泛使用的LED以及电池的电气特性。

　　依不同制造商所采用技术的差异，LED的前向电压(Vf)大约在2.7V到4V之间，通常高功率LED拥有高达4.9V的较高前向电压，因此LED驱动电路必须提供足够的正电压以便让LED以正向偏压的方式发光。当采用多颗LED来提供背光时，在驱动电路的设计上就必须考虑前向电压间的差距，为了能够得到相同的照明强度，也就是让不同的LED发出相同的色彩，设计工程师必须确保流经每颗LED的前向电流相同，低功率LED通常采用20mA前向电流，最大约为25mA，目前市场上的高功率LED则能以高达1.5A的脉冲电流来驱动。

　　目前手机与PDA中最常见的电池型式为锂离子或锂高分子可充电电池，采用锂材料的可充电电池标准电压在3.6V到3.7V，工作电压则为4.2V到3.2V，为了确保能够安全运作，这类型的锂材料电池只能够在1C的范围内充电或放电，其中C为电池的规格容量，例如1,000安培小时(mAh)的电池最高放电电流为1A，手机通常使用的电池容量大约在650mAh到1000mAh之间。采用不同阴极材料的新型态锂离子电池已经进行开发以便改善电池的效能，在使用这类电池组时，设计工程师应该要遵守电气规格上的限制并随之调整驱动电路。

　　现在就让我们进一步研究LED在LCD背光、装饰光源与相机闪光灯中的应用。

　　LCD背光

　　在使用最高前向电压为3.4V到4V的LED时，由电池提供的输入电压必须相等或高于所需的驱动电压，因此需要一个具有稳定电流功能的升压式转换器来推动以串联或并联方式连接的LED。

　　充电泵/切换式电容转换器充电泵转换器目前广泛使用在LCD的背光驱动上，与采用电感式的升压式转换解决方案比较，充电泵驱动电路由于具备较低的成本、较薄的厚度以及较低的杂讯特性而成为较佳的选择，新推出的积体电路设计已经逐渐改善充电泵驱动电路的效率，目前最高效率可超过93%，平均则大约在80%。

　　充电泵驱动电路通常采1x与2x模式运作，在部分设备中则加入了1.33x与1.5x模式来改善效率，在这类解决方案中，LED采并联方式连接，同时每个LED的电流由各自独立的匹配电流源提供，最佳的驱动晶片在相同电路中任两个LED电流间的匹配误差大约在0.2%。

　　在可携式设备中，当键盘或触控式萤幕动作时所耗用的LED电流最高，而在几秒钟没有动作后，LED电流将降低以便将电源消耗降到最低，控制LED电流的一个常见方式是采用PWM脉冲来推动驱动晶片的动作接脚，透过晶片的启动与关闭动作，输出电流将成为PWM讯号有效周期率的平均值，在新的LED驱动晶片设计上，由于单线式S-Wire或双线式I2C介面只需占用一或两根输出入接脚，同时设计也相对较简单，因此通常会被采用为数位控制介面。

　　渐进式亮度变化与情境式照明渐进式亮度变化主要应用在可携式设备启动或关机时以创造剧场式的照明效果，在启动时，背光电流会依照预先设定的时间间隔以步阶方式逐步放大到20mA，同样地，在关机时则采用相反的动作逐步降低，透过微处理器的帮助，可利用将具备不同频率的PWM讯号送到LED驱动电路的启动接脚来实现这种效果，以特定时间间隔将LED电流用多重步阶的方式加大或降低，不过这个方法却有耗费即时处理器资源的缺点，因此在如NCP5602与NCP5612等LED驱动晶片产品上就将这个功能内建在晶片中(图1)。

图1：典型的2颗LED式充电泵驱动器应用

a.采用I2C控制介面的LED驱动电路；b.采用单线式S-Wire控制介面的LED驱动电路

　　这些驱动晶片需要两个飞驰电容、输出与输入电容以及一个用来控制最高输出电流的电阻(R1)，渐进式亮度变化控制指令则由处理器透过I2C连接埠或输出入接脚送到驱动晶片，指令本身应该包含起始与最终电流大小以及亮度变化的时间间隔。

　　当应用在RGB LED上时，这样的功能就能用来产生情境式的照明效果，藉由每个RGB LED各自拥有的32个明暗步阶，像NCP5623这类的LED驱动晶片就可达到32,768种色彩变化，透过这种明暗步阶以及内建的对数演算法，可创造出对眼睛来说相当平顺且线性化的色彩变化，RGBLED驱动电路包含用来调整3颗LED输出电流的独立控制PWM电流源，以产生所需的色彩输出(见图2)。

图2：具备I2C控制介面的典型RGB LED驱动晶片应用

　　由于每个电流输出的时序与电流大小都可以独立控制调整，因此能使用白光或带有色彩的LED来表现不同发光模式得到装饰或指示用途的输出，部分具备音讯输入的电路还能让彩色LED搭配内部MP3或和弦铃声的不同频带同步动作。

　　ICON模式您是否曾经尝试在黑暗的环境中观看手机的时间，这时明亮背光与黑暗环境间的强烈对比对眼睛来说相当不舒服，这也是为何会有''ICON模式''设计，可在待机模式下以微小的电流点亮外部LCD面板来显示时间或特别定义的影像，不过如果这必须透过PWM明暗控制来达成，那么处理器就心须在整个待机模式下产生一个连续的低频PWM讯号，在NCP5602中，这个功能采用硬体方式实现，并能透过如表1中的数位指令启动。

表1：NCP5602的I2C内部暂存器位元安排

　　由处理器送到驱动晶片资料位元组中的B5代表了ICON模式的状态，当B5为LOW时，表示使用的是正常背光模式，每个LED的电流可以在0mA到最大30mA间调整，当B5为HIGH时，就会启动ICON模式，且只会将450μA的电流送到所连接两颗LED之一，在这个元件中ICON模式的电流值为固定值，但在类似元件NCP5612上，这个电流则可透过单线式通讯协议来控制，图3显示了通过I2C通讯协议中SCL与SDA连接线的ICON控制程序。

图3：ICON模式控制时的简单SCL与SDA连接线上的资料顺序

　　线性稳压器/电流源方案在使用具备约3.3V较低前向电压的丛集式LED时，可选择线性稳压器来提供驱动电流。与切换式转换器比较，线性稳压器具备较低成本及较低的电磁干扰，因为线性稳压器只需在驱动晶片的周边加入几颗电阻，同时无需使用切换式元件，但这类解决方案的缺点是较窄的有效电池电压运作范围，图4显示了使用NUD4301低压降线性稳压器做为两颗LED驱动电路的情况，依标准0.2V压降以及3.3V的LED前向电压考虑，稳压器将在电池电压低于3.5V时离开稳压模式并进入饱和模式，这将造成稳压器输出电流大幅下滑同时LED亮度开始变暗，不过如果最低电池电压是在可接受的范围，那么线性稳压器还是小型LCD面板最具成本效益的背光解决方案。

图4：采用线性稳压器NUD4301做为推动小型LCD面板背光的两颗LED驱动电路

　　行动照明应用

　　临时照明手机所提供的LED照明功能普遍被认为是相当精妙的设计，这可以由许多手电筒现在都由数颗低功率LED组成，并透过20mA到60mA较低电流推动的趋势看出，这类照明可做为可携式手电筒，但它微弱的照明强度对支援黑暗环境下的摄影不足够，事实上必须要有一个或更多的高功率LED才能支援1公尺或更远的拍摄照明，阻碍工程师加入高功率LED的主要原因还是成本，目前量产的高功率LED主要仰赖全球5大制造商供应，不过在台湾与韩国制造商的功率LED产能" title="LED产能">LED产能逐渐开出后，预料单价将开始下滑，同时驱动电路的成本也会随量产而下降。

　　高功率闪光灯用LED在照明与闪光模式下通常使用不同的电流大小与驱动时间，如在照明模式下可以使用200mA的连续电流，而在闪光模式下则采用400mA到1A的脉冲电流，闪光脉冲的时间长短依相机模组特性而定，通常闪光脉冲的宽度介于20ms到200ms之间，闪光驱动电路能支援闪光LED大约1A的驱动电流，提供LED高达4.9W的输出，为了让LED的接面温度维持在最高可容忍的范围内，我们必须采用良好的温度管理策略，将脉冲宽度缩小有助于降低不必要的消耗，而较大的接地面积也是将热由LED导出的一种推荐做法。

　　单颗高功率闪光灯驱动电路升压式转换器是支援高功率LED中最高达4.9V前向电压的必备条件，但就算是相同的LED晶片，前向电压在不同条件下也会有所不同，当LED温度上升时，前向电压可能会滑落到低于输入电池电压，因此就需要降压式转换器，技术上来说，升降压转换器是推动单颗高功率LED的最佳方案，不过这类驱动晶片通常成本较高，同时也需搭配会提高成本与体积的外部电感。升降压转换器的优点则在于较高的整体效率，主要原因是完全使用了电池的能量，同时能够提供超过1A甚至更高的超高输出电流，新推出的高电流充电泵驱动电路是升降压转换器的一种低成本替代方案，不过充电泵转换器的输出电流最高大约在700mA，主要还是受到较低效率以及能够由电池所提取的最大电流限制。

　　整合型照明管理晶片具备背光与闪光功能，部分甚至还具备RGB与其他影音功能的整合型照明管理晶片(LMIC)目前已出现在市场上，它包含了可能采用充电泵或电感式设计的升压转换器，每个输出则由可调式电流源提供，这种方案在掀盖式或滑盖式手机中特别有用，原因是它免除了由电源管理单元拉到电话另一面所需的长路径。NCP5608是一个可以提供整体高达500mA电流，配备8个输出的整合型充电泵驱动晶片，它的输出电流可以由处理器透过I2C连接埠来加以调整，同时也能够组成不同的LED组态来满足各种平台的需求，请参考图5。

　　图5：整合型LED驱动晶片提供了各种不同的LED组合变化，从4颗以25mA推动的背光功能与4颗提供闪光灯用的100mALED，一直到结合所有输出来推动一个高功率LED的闪光灯应用。

　　LMIC数位控制单线式数位控制已广泛应用在独立型背光LED驱动晶片上，不过这种控制协议对LMIC来说速度太慢且太复杂，原因在整合驱动电路中存在各种不同的控制组合需求，因此通常在LMIC上会使用具备时脉与资料连线的I2C或特殊的控制通讯协议。

　　目前市场上已经出现300万甚至更高画素的手机以支援高品质照相功能，为了让LED提供媲美氙气式闪光灯的照明强度，可透过推动两颗或更多的高功率LED做为闪光灯，具备4.5W高功率驱动能力的电感式升压转换器能以500mA的驱动电流推动两颗串联的LED(图6)，值得注意的是，在这类驱动电路中必须加入时间限制保护电路以避免LED受到长时间运作的破坏，同时驱动晶片中也应该加入开关来切换照明与闪光应用时的电流大小。

图6：具备内部开关与时间限制保护的4.5W功率闪光灯驱动电路

　　本文小结

　　LED的大量供货已经让手机与PDA上LCD面板背光用低功率LED的单价越来越低，新推出的背光驱动晶片也内建了如渐进式明暗控制以及不需任何软体设计，同时也不耗费任何微处理器资源的情境式照明控制功能。这些LED驱动电路可协助可携式产品制造商缩短开发时间，而在较低成本的解决方案上，则可使用线性稳压器来推动前向电压较低的LED。

　　另外，市场上也出现几种闪光灯驱动方案，分别为独立型升降压转换器、高电流充电泵驱动电路及照明管理晶片，大部分的功率闪光灯可能包含几个标准的LED或一颗高功率LED，目前照相手机中高功率LED尚未普及的主要原因是单价较高。但部分高阶手机已使用两颗LED提供较高亮度的闪光灯。在照相手机中，更高功率的闪光灯方案将越来越普及，提供给使用者真正的相机输出效果。

　　作者：林欣欣

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