摘要：
簡要介紹具有雙電流阱及 I2C 亮度控制兼容的高效升壓型白光 LED 與 OLED 顯示驅(qū)動器 LM3509的應用
一，引言
固態(tài)照明 ( SSL：Solid State Lighting )研究開發(fā)和利用半導體光源替代傳統(tǒng)熱輻射光源和氣體放電光源牽涉的各種相關(guān)技術(shù)。照明離不開光源，半導體發(fā)光器件，如發(fā)光二極管（LED： Light Emitting Diode）和有機發(fā)光二極管（OLED：Organic Light Emitting Diode）的機理、材料、結(jié)構(gòu)、封裝等必然是固態(tài)照明研究的首要對象和課題。近年來，LED在顏色種類、亮度和功率方面都取得了極大的進展，已進入并實現(xiàn)照明應用。OLED目前主要的應用領(lǐng)域是平板顯示器（ FPD ），由于不需背光源、省電、亮度更高、成本更低等特點，且系一種如同張紙般的軟平面發(fā)光光源，比投光和聚光應用中有優(yōu)勢的LED點光源發(fā)射的光線更多，在輕薄、可撓性基材上構(gòu)成陣列非常適合作照明光源，因此是一種除 LED 之外更有潛力的固態(tài)照明光源，乃二十一世紀發(fā)展最迅猛的產(chǎn)業(yè)之一。
眾所周知，照明應用的白光 LED 和OLED器件都要求特殊的供電驅(qū)動，為此許多IC廠商都在致力研究開發(fā)和生產(chǎn)各類面向照明 LED 和OLED器件驅(qū)動控制的芯片及相關(guān)應用解決方案，National Semiconductor 公司的LM3509正是一款具有雙電流阱及 I2C 亮度控制兼容的高效升壓型白光 LED 與 OLED 顯示驅(qū)動器芯片，本文特作簡要介紹。
二，LM3509的特性
National Semiconductor公司的高效白光 LED 與 OLED 顯示驅(qū)動器芯片是一款具有雙電流阱及 I2C 兼容的亮度控制的電流型升壓轉(zhuǎn)換器，典型特性如下：
★ 內(nèi)部集成了 OLED 顯示電源和 LED 驅(qū)動器
★ 最多可驅(qū)動 10 個 30mA 的 LED，以 20mA 驅(qū)動 5 個 LED 時則可在 21V 饋送40mA
★ 效率超過90%
★ 32 步指數(shù)調(diào)光
★ LED 燈串電流匹配精度0.15%
★ 內(nèi)部軟起動限制電流浪涌
★ LED關(guān)閉隔離
★ 輸入電壓范圍寬達 2.7V 至 5.5V
★ 21V過壓保護
★ 1.27MHz 定頻工作
★ 3 mm × 3 mm × 0.8 mm 窄板 10 針 LLP 封裝
★ 通用 I/O
LM3509 可提供兩個單獨的輸出：主輸出(MAIN)為驅(qū)動白色 LED 燈串的恒電流阱，另一輸出 (SUB/FB) 則可作白色 LED 燈串偏置恒電流阱的配置或作設定 OLED 面板供電恒輸出輸出反饋引腳用。作雙白色 LED 燈偏置源配置時， LM3509 將自動調(diào)節(jié)使 LED 燈串效率最大化的供電電壓以確保恒電流阱維持調(diào)整。通過外接一個小功率電阻即可使兩路輸出電流均維持最大。用 I2C 兼容接口便可按指數(shù)式 32 步分別獨立地從 0 至最大調(diào)整兩路輸出中 LED 的電流。作白色 LED + OLED 偏壓源配置時，LM3509 可以同時獨立驅(qū)動 5 個白光 LED 燈串并向 OLED 面板提供高達 21V 的恒輸出電壓。如果VOUT 高于低電壓輸出電容允許使用的 21V，輸出過電壓保護即關(guān)閉器件。LM3509 以小型 10 腳熱增強 LLP 封裝給出，工作溫度范圍為在- 40°C 至 + 85°C。
三，LM3509的內(nèi)部功能
圖1 為LM3509的功能框圖。
顯見， LM3509的核心是一電流型升壓式功率變換器. 工作運行如下：即每個開關(guān)切換周期的起始, 內(nèi)部振蕩器對PWM變換器設定. PWM變換器打開NMOS開關(guān), 在輸出電容器給白光LED和/或OLED板供電時使電感中電流線性上升。誤差放大器對輸出端的誤差信號與傳感電感中的電流進行比較，當傳感電感中的電流等于誤差信號或當達到最大占空比, NMOS開關(guān)關(guān)閉致使電感電流均由外接肖特基二極管獲取從而使電感電流線性下降，其儲存的能量便對輸出電容充電并向給負載供電。時鐘周期末, PWM控制器再次設定，過程自行重復其的過程。
作雙白光LED燈串偏置時，LM3509 通過輸出電壓的自適應調(diào)節(jié)使效率最大化。在該組態(tài)中，500mV 基準通過 MUX 的 S0 與誤差放大器同相端相接（見圖 1），而 VMAIN 和 VSUB/FB 兩者的最低則通過 MUX 的 S1 施加于誤差放大器反同相端，從而確保 VMAIN 和 VSUB/FB 至少有 500mV，因此能為電流阱提供足夠的輸入電壓以達到適當?shù)碾娏髡{(diào)整率。
當 LED 燈串中燈的數(shù)目或燈串流過的電流不等時，調(diào)整點應該是電壓最高的燈串。
白光 LED有存在調(diào)和與非調(diào)和兩種不同工作模式：與獨立的電流調(diào)整給出非調(diào)和模式，調(diào)和模式要求LED 燈串間更精確匹配的電流調(diào)整。非調(diào)和模式中，LED 燈的電流 IMAIN 和 ISUB/FB 分別通過寄存器BMAIN和BSUB調(diào)節(jié)獨立控制（參見下文關(guān)于亮度寄存器BMAIN和BSUB部分）。調(diào)和模式時BSUB不工作，IMAIN 和ISUB/FB 只由BMAIN控制。
LM3509 的內(nèi)部軟啟動具有防止啟動時遭受浪涌大電流引起輸入產(chǎn)生過度電壓紋波的特性。
當 LM3509 配置于單一白光 LED 偏置 + OLED 顯示偏置，即 OLED 模式時，誤差放大器的同相輸入端通過 MUX S2 接內(nèi)部 1.21V基準，MUX S1 則在將SUB/FB端口的內(nèi)部電流阱脫開時使 SUB/FB 切換至誤差放大器的反同相輸入端。MAIN 端口的電壓在 OLED模式中是非調(diào)整的，所以當應用要求白光 LED + OLED 面板偏置時能使MAIN 端口的電壓至少有 300mV 以確保對 IMAIN 作出適當調(diào)整。
LM3509 升壓變換器對內(nèi)部功率開關(guān)的峰值限流典型值為 770mA (最小值為650mA）。當峰值切換電流達到限流極限時，占空比終止，結(jié)果造成對最大輸出電流的限制，因而給出LM3509 可以提供的最大輸出功率。終止工作循環(huán)。最大 LED 電流作為VIN、VOUT、L 和 IPEAK 的函數(shù)，計算如下：
式中
 SW = 1.27MHz，效率、峰值電流 IPEAK 可據(jù)典型特性求得。
LM3509 的輸出電壓由輸出過壓保護閾值電壓的 21.2V 高端值限定。白光 LED 模式，輸出開路條件下，輸出電壓將升至過壓保護閾值 (UOVP = 21.2V 最小)。這種情況一出現(xiàn)，控制器便停止開關(guān)切換，從而致使 UOUT 降落。若器件維持過壓條件，則將造成 LM3509 的輸出在高、低過壓閾值之間反復的過程。
LM3509 能提供極好的電流精度（理想值誤差的百分之幾），也可提供 MAIN 和 SUB/FB 端口間電流阱精確的電流匹配。MAIN 和 SUB/FB 端口間電流阱的電流匹配精度受工作模式影響。第一種非調(diào)和模式系由在通用寄存器 (UNI bit)的位 2 寫入 0 所設定。非調(diào)和模式通過分別寄存 BMAIN 和 BSUB 允許對 IMAIN 和 ISUB/FB 獨立進行編配。該模式中電流阱之間匹配精度為 1% 。另一種調(diào)和模式則在通用寄存器中寫入 1 對器件進行配置。調(diào)和模式中 BSUB 不能用，IMAIN 和 ISUB/FB 均通過寄存器 BMAIN 控制，其典型匹配精度為 0.15% 。
LM3509 構(gòu)建的升壓功率變換器可在連續(xù)傳導、不連續(xù)傳導和彈跳三種模式下工作。重載條件下當電感電流在以恒頻切換的開關(guān)周期終端前不會趨于零，但隨著輸出電流的下降，電感電流在開關(guān)周期結(jié)束前趨于零，器件進入不連續(xù)傳導模式。負載非常輕時，LM3509 進入彈跳工作模式，造成開關(guān)切換周期加長，器件只為維持輸出調(diào)整的要求而開關(guān)切換。
LM3509 內(nèi)部的 RESET/GPIO 端口可作為有源低電平重置輸入或通用邏輯輸入和輸出之用。器件通電時 RESET/GPIO 默認為有源低電平重置模式。RESET/GPIO的功能通過 GPIO 寄存器設定，詳細說明如表 1 ：
表 1 GPIO 寄存器功能
按有源低電平重置輸入配置時( 第 0 位= 0 )， 被拉至低電平，自動將LM3509 所有的寄存器編程為 0 × 00，且其狀態(tài)不能改變，直到  被拉至高電平。如上所示 GPIO 寄存器是一種僅 3 個 LSB （最低位）有源， 5 個 MSB （最高位）不被使用的 8 位寄存器。按輸出配置時 漏極開路，需外接上拉電阻。
LM3509 具有熱關(guān)閉保護。當芯片溫度接近 +140°C 時器件便關(guān)閉，芯片溫度不降到 +120°C 之下不會重新開啟。
特別值得注意的是 LM3509 可以通過 I2C 兼容接口進行控制。其中 START 和 STOP將 I2C 時期分為開始和結(jié)束階段。START 定義為 SCL 處于高電平時 SDA 從高電平向低電平的過渡。STOP 定義為 SCL 處于高電平時 SDA 從低電平向高電平的過渡。START 和 STOP 總由主 I2C 生成，如圖 2 所示�？梢哉J為 START 之后 I2C 總線為忙，STOP 之后 I2C 總線為空。數(shù)據(jù)傳輸期間，主 I2C 可產(chǎn)生重復的 START。 START 和重復的 START 功能上是等效的。在時鐘信號 ( SCL)為高電平期間，SDA 上的數(shù)據(jù)必須保持穩(wěn)定，也就是說，SDA 的狀態(tài)不只在 SCL 為低電平時能夠改變。
LM3509 芯片的地址是 0110110。 START 之后，主 I2C 發(fā)送一個緊隨讀或?qū)?( R/W ) 位之后的 7 位芯片地址。R/W = 0 表示寫，R/W = 1 表示讀。緊隨芯片地址的第二二進位組選作將寫入數(shù)據(jù)的寄存器地址。第三二進位組包含的則是所選寄存器的數(shù)據(jù)，如圖 3 所示。
SDA 行上的每個二進位組的長度必須有 8 位，最高位 ( MSB ) 首先傳輸。每個數(shù)據(jù)二進位組必須后隨一個確認位 ( ACK )。與時鐘脈沖 (第 9 次時鐘脈沖) 相關(guān)的確認位系由主 I2C 所產(chǎn)生。在 9 個時鐘脈沖期間，主 I2C 將解除 SDA 的高電平，于是 SDA 被 LM3509 拉下，表示一個確認位。一旦每個二進位組被接收，都會產(chǎn)生確認位。圖 4 所示即 LM3509 通用寄存器“寫”過程的例子。
LM3509 內(nèi)部有 4 個 8 位寄存器，詳情示于表 2：
表 2 LM3509 內(nèi)部寄存器詳情
其中通用寄存器有四個功能：控制 MAIN 和 SUB/FB 的通斷；在調(diào)和與非調(diào)和模式間作出選擇，給出 LED 電流改變率總的控制（詳見亮度改變率的說明）以及在白光 LED 和OLED 模式間作出選擇。圖 5 和表 3 為通用寄存器內(nèi)每有效位的描述。
通用寄存器的 UNI 取 0（非調(diào)和模式），亮度寄存器 ( BMAIN 和 BSUB ) 分別獨立控制了電流IMAIN 和ISUB/FB 。BMAIN 和 BSUB都是 8 位，但僅5個最低位控制電流，3個最高位不作考慮。LED 電流的控制設計為隨BMAIN 或 BSUB的編碼近似按指數(shù)增加，如圖6。從SET 至 GND接電阻RSET則可調(diào)節(jié)電流 ILED_MAX，此處
表4 為其工作真值表：
表4 為其工作真值表
通用寄存器的 UNI 取 1（調(diào)和模式），BSUB不能工作， IMAIN 和ISUB/FB 由BMAIN 設定。電流阱之間的典型匹配精度，UNI = 0 時為1%，UNI = 1時為0.15%。圖7和8所示即亮度主、次寄存器的描述。
表5為亮度寄存器數(shù)據(jù)：
表5亮度寄存器數(shù)據(jù)
 RMP0 和 RMP1 控制了 LED 電流IMAIN 和ISUB/F 的變化率以響應 B BMAIN 和/或BSUB 的變化。如表6 所示，有 4 種用戶可編程的 LED 電流變化率可設定 LM3509。譬如，若RSET = 12kΩ，有ILED_MAX = 20mA。BMAIN 取0 ×1F (IMAIN = 20mA), 假定BMAIN變?yōu)?0 × 00，就有ILED_MAX = 0 mA 的結(jié)果。RMP0 =1 和 RMP1 =1 ( 52ms/step )，IMAIN 將以31步，每步間隔52ms從20mA 降至0 mA 除從0 ×1F至0 ×1E 外總計1560ms的全電流變化外。一般來說，從一個亮度碼過渡到另一亮度碼的總時間為
最后，必須強調(diào)的是無論 MAIN 或者 SUB/FB 當作白光 LED 偏置源配置時，LM3509可以提供真正的關(guān)閉功能。通用寄存器的 ENM (第1位) 寫1 ，主電流阱關(guān)閉并迫使 MAIN 端口為高阻抗。通用寄存器的 ENS (第 2 位) 寫0 ，次電流阱關(guān)閉并迫使 SUB/FB 端口為高阻抗。ENM 或 ENS 寫1 ，主、次電流阱分別開啟。LM3509 關(guān)閉時，MAIN 或 SUB/FB 流入的漏電流典型值為3.6μA。
四，LM3509 應用簡述
LM3509 可在如下應用中采用：
便擕式應用中的雙顯示 LCD 背光
大屏幕LCD 背光
OLED 面板電源
圖 9 為 LM3509典型的應用電路示例，電路計算和元件選擇如下：
電流設定和最大LED電流
為調(diào)節(jié)流入MAIN 或 SUB/FB 的最大LED電流(ILED_MAX)，從 SET至 GND接入電阻RSET。RSET 與ILED_MAX 的關(guān)系為
式中1.244V 為 SET 端口輸出的恒定電壓。 OLED 模式的電壓設定
從變換器輸出至 SUB/FB、GND 接入反饋電阻設定 OLED 模式的輸出電壓( 見圖 9 OLED 面板電源電路中R1 和 R2 )。首先選取 R2 < 100kΩ，然后計算 R1 以使
OLED 模式中，主電流阱通過 MAIN 連續(xù)調(diào)整電流，但 UMAIN 不再受調(diào)整。為避免脫落和確保電流適當調(diào)整，該應用須保證 UMAIN > 0.3V。
輸出電容的選擇
LM3509 的輸出電容在升壓變換器導通期間向 LED 提供電流。變換器截止時，電感能量通過二極管放電向 LED 和輸出電容充電供能。結(jié)果輸出電壓在變換器導通期間會跌落，變換器截止期間將升高，引成輸出電壓紋波，故輸出電容應根據(jù) LED 和 OLED 面板的電流要求以及輸入-輸出電壓差使輸出電壓紋波不致超出可接受范圍的原則來選取，電容量范圍在 1μF 至2.2μF 的陶瓷電容器較合適。通常輸出電壓紋波可分為由電容放電引起的ΔUQ 紋波和由電容等效串聯(lián)電阻引起的ΔUESR 紋波兩部分。對于連續(xù)傳導模式，則紋波分量為
和
式中
電感的選擇
LM3509 設計的電感值為 10μH，但輸出電容增大一倍，22μH 也是合適的。選擇電感應確保其額定飽和電流 ( ISAT ) 足夠高，且電感足夠大，以使在最大 LED 電流時電感峰值電流仍小于 LM3509 的峰值開關(guān)切換電流的限定。 這可通過如下選擇實現(xiàn)：
式中
下表給出有關(guān)電感的推薦值：
表7 RMP0 和 RMP1 控制的亮度變化率
二極管的選擇
選擇輸出二極管的原則是其反向擊穿電壓須大于最大輸出電壓，為處理LM3509的輸出電流，其平均電流額定值應足夠大，此外，還須有足夠高的峰值電流額定值以能處理電感的峰值電流。一般來說，由于肖特基二極管的正向壓降小于( 0.3V～0.5V ) 普通PN 二極管的正向壓降 ( 0.6V ～ 0.8V )，故都推薦使用肖特基二極管，表 8 為即推薦使用的肖特基二極。
OLED 模式的額定輸出電流
OLED 模式下（假設電流連續(xù)傳導），LM3509 能饋送的最大輸出電流受典型值為770mA 的峰值電流、電感值、輸入的電壓和輸出電壓4個因素限定。最大輸出電流 IOUT_MAX 的計算公式為：
式中
對 UOUT = 18V，假定效率為70% 的典型應用電路而言，UIN = 2.7V 時的最大輸出電流約為 70mA。在VIN = 4.2V時，由于通態(tài)時間較短，平均輸入電流更低，效率為70% 的最大輸出電流將跳到約 105mA。圖 10 所示為按上述表式計算的IOUT_MAX與 UIN的對應關(guān)系曲線（ 假定效率為 80% ）。現(xiàn)實中，由于電流限和效率等因素會隨 UIN、溫度和選擇的元件變，實際的 IOUT_MAX 要完全可能更高或更低。
OLED 模式的輸出電壓范圍
在 LM3509 的輸出電壓主要受 2 個因素影響：其一是在低端（假設連續(xù)傳導），它受10% 的最小占空比限制，其二是在高端，它受（典型值為22V）過電壓保護閾值（VOVP）限制。為了維持不同輸出電壓下運行的穩(wěn)定性，輸出電容和電感必須更改，表 9 為不同 UOUT、 COUT 和 L 組合與輸出電壓的對應關(guān)系表。
五，結(jié)束語
通過以上簡介不難了解LM3509 確實是一款頗具特色的集成驅(qū)動器。當前，正值LED與OLED 應用及固態(tài)照明方興未艾，IC廠商都在致力研究開發(fā)和生產(chǎn)各類面向照明 LED 和OLED器件驅(qū)動控制的芯片及相關(guān)應用解決方案之際，有計劃地介紹相關(guān)技術(shù)應有必要，刺激本文的初衷。 |
