摘要：

简要介绍具有双电流阱及 I2C 亮度控制兼容的高效升压型白光 LED 与 OLED 显示驱动器 LM3509的应用

一，引言

　　固态照明 ( SSL：Solid State Lighting )研究开发和利用半导体光源替代传统热辐射光源和气体放电光源牵涉的各种相关技术。照明离不开光源，半导体发光器件，如发光二极管（LED： Light Emitting Diode）和有机发光二极管（OLED：Organic Light Emitting Diode）的机理、材料、结构、封装等必然是固态照明研究的首要对象和课题。近年来，LED在颜色种类、亮度和功率方面都取得了极大的进展，已进入并实现照明应用。OLED目前主要的应用领域是平板显示器（ FPD ），由于不需背光源、省电、亮度更高、成本更低等特点，且系一种如同张纸般的软平面发光光源，比投光和聚光应用中有优势的LED点光源发射的光线更多，在轻薄、可挠性基材上构成阵列非常适合作照明光源，因此是一种除 LED 之外更有潜力的固态照明光源，乃二十一世纪发展最迅猛的产业之一。

　　众所周知，照明应用的白光 LED 和OLED器件都要求特殊的供电驱动，为此许多IC厂商都在致力研究开发和生产各类面向照明 LED 和OLED器件驱动控制的芯片及相关应用解决方案，National Semiconductor 公司的LM3509正是一款具有双电流阱及 I2C 亮度控制兼容的高效升压型白光 LED 与 OLED 显示驱动器芯片，本文特作简要介绍。

二，LM3509的特性

　　National Semiconductor公司的高效白光 LED 与 OLED 显示驱动器芯片是一款具有双电流阱及 I2C 兼容的亮度控制的电流型升压转换器，典型特性如下：

　　★ 内部集成了 OLED 显示电源和 LED 驱动器
　　★ 最多可驱动 10 个 30mA 的 LED，以 20mA 驱动 5 个 LED 时则可在 21V 馈送40mA
　　★ 效率超过90%
　　★ 32 步指数调光
　　★ LED 灯串电流匹配精度0.15%
　　★ 内部软起动限制电流浪涌
　　★ LED关闭隔离
　　★ 输入电压范围宽达 2.7V 至 5.5V
　　★ 21V过压保护
　　★ 1.27MHz 定频工作
　　★ 3 mm × 3 mm × 0.8 mm 窄板 10 针 LLP 封装
　　★ 通用 I/O

LM3509 可提供两个单独的输出：主输出(MAIN)为驱动白色 LED 灯串的恒电流阱，另一输出 (SUB/FB) 则可作白色 LED 灯串偏置恒电流阱的配置或作设定 OLED 面板供电恒输出输出反馈引脚用。作双白色 LED 灯偏置源配置时， LM3509 将自动调节使 LED 灯串效率最大化的供电电压以确保恒电流阱维持调整。通过外接一个小功率电阻即可使两路输出电流均维持最大。用 I2C 兼容接口便可按指数式 32 步分别独立地从 0 至最大调整两路输出中 LED 的电流。作白色 LED + OLED 偏压源配置时，LM3509 可以同时独立驱动 5 个白光 LED 灯串并向 OLED 面板提供高达 21V 的恒输出电压。如果VOUT 高于低电压输出电容允许使用的 21V，输出过电压保护即关闭器件。LM3509 以小型 10 脚热增强 LLP 封装给出，工作温度范围为在- 40°C 至 + 85°C。

三，LM3509的内部功能

　　图1 为LM3509的功能框图。

　　显见， LM3509的核心是一电流型升压式功率变换器. 工作运行如下：即每个开关切换周期的起始, 内部振荡器对PWM变换器设定. PWM变换器打开NMOS开关, 在输出电容器给白光LED和/或OLED板供电时使电感中电流线性上升。误差放大器对输出端的误差信号与传感电感中的电流进行比较，当传感电感中的电流等于误差信号或当达到最大占空比, NMOS开关关闭致使电感电流均由外接肖特基二极管获取从而使电感电流线性下降，其储存的能量便对输出电容充电并向给负载供电。时钟周期末, PWM控制器再次设定，过程自行重复其的过程。

　　作双白光LED灯串偏置时，LM3509 通过输出电压的自适应调节使效率最大化。在该组态中，500mV 基准通过 MUX 的 S0 与误差放大器同相端相接（见图 1），而 V_MAIN 和 V_SUB/FB 两者的最低则通过 MUX 的 S1 施加于误差放大器反同相端，从而确保 V_MAIN 和 V_SUB/FB 至少有 500mV，因此能为电流阱提供足够的输入电压以达到适当的电流调整率。

　　当 LED 灯串中灯的数目或灯串流过的电流不等时，调整点应该是电压最高的灯串。

白光 LED有存在调和与非调和两种不同工作模式：与独立的电流调整给出非调和模式，调和模式要求LED 灯串间更精确匹配的电流调整。非调和模式中，LED 灯的电流 I_MAIN 和 I_SUB/FB 分别通过寄存器BMAIN和BSUB调节独立控制（参见下文关于亮度寄存器BMAIN和BSUB部分）。调和模式时BSUB不工作，I_MAIN 和I_SUB/FB 只由BMAIN控制。

　　LM3509 的内部软启动具有防止启动时遭受浪涌大电流引起输入产生过度电压纹波的特性。

　　当 LM3509 配置于单一白光 LED 偏置 + OLED 显示偏置，即 OLED 模式时，误差放大器的同相输入端通过 MUX  S2 接内部 1.21V基准，MUX S1 则在将SUB/FB端口的内部电流阱脱开时使 SUB/FB 切换至误差放大器的反同相输入端。MAIN 端口的电压在 OLED模式中是非调整的，所以当应用要求白光 LED + OLED 面板偏置时能使MAIN 端口的电压至少有 300mV 以确保对 I_MAIN 作出适当调整。

　　LM3509 升压变换器对内部功率开关的峰值限流典型值为 770mA (最小值为650mA）。当峰值切换电流达到限流极限时，占空比终止，结果造成对最大输出电流的限制，因而给出LM3509 可以提供的最大输出功率。终止工作循环。最大 LED 电流作为V_IN、V_OUT、L 和 I_PEAK 的函数，计算如下：

式中

SW = 1.27MHz，效率、峰值电流 I_PEAK 可据典型特性求得。

　　LM3509 的输出电压由输出过压保护阈值电压的 21.2V 高端值限定。白光 LED 模式，输出开路条件下，输出电压将升至过压保护阈值 (U_OVP = 21.2V 最小)。这种情况一出现，控制器便停止开关切换，从而致使 U_OUT 降落。若器件维持过压条件，则将造成 LM3509 的输出在高、低过压阈值之间反复的过程。

　　LM3509 能提供极好的电流精度（理想值误差的百分之几），也可提供 MAIN 和 SUB/FB 端口间电流阱精确的电流匹配。MAIN 和 SUB/FB 端口间电流阱的电流匹配精度受工作模式影响。第一种非调和模式系由在通用寄存器 (UNI bit)的位 2 写入 0 所设定。非调和模式通过分别寄存 BMAIN 和 BSUB 允许对 I_MAIN 和 I_SUB/FB 独立进行编配。该模式中电流阱之间匹配精度为 1% 。另一种调和模式则在通用寄存器中写入 1 对器件进行配置。调和模式中 BSUB 不能用，I_MAIN 和 I_SUB/FB 均通过寄存器 BMAIN 控制，其典型匹配精度为  0.15% 。

LM3509 构建的升压功率变换器可在连续传导、不连续传导和弹跳三种模式下工作。重载条件下当电感电流在以恒频切换的开关周期终端前不会趋于零，但随着输出电流的下降，电感电流在开关周期结束前趋于零，器件进入不连续传导模式。负载非常轻时，LM3509 进入弹跳工作模式，造成开关切换周期加长，器件只为维持输出调整的要求而开关切换。

　　LM3509 内部的 RESET/GPIO 端口可作为有源低电平重置输入或通用逻辑输入和输出之用。器件通电时 RESET/GPIO 默认为有源低电平重置模式。RESET/GPIO的功能通过 GPIO 寄存器设定，详细说明如表 1 ：

表 1  GPIO 寄存器功能

　　按有源低电平重置输入配置时( 第 0 位= 0 )， 被拉至低电平，自动将LM3509 所有的寄存器编程为 0 × 00，且其状态不能改变，直到  被拉至高电平。如上所示 GPIO 寄存器是一种仅 3 个 LSB （最低位）有源， 5 个 MSB （最高位）不被使用的 8 位寄存器。按输出配置时  漏极开路，需外接上拉电阻。

　　LM3509 具有热关闭保护。当芯片温度接近 +140°C 时器件便关闭，芯片温度不降到 +120°C 之下不会重新开启。

　　特别值得注意的是 LM3509 可以通过 I²C 兼容接口进行控制。其中 START 和 STOP将 I²C 时期分为开始和结束阶段。START 定义为 SCL 处于高电平时 SDA 从高电平向低电平的过渡。STOP 定义为 SCL 处于高电平时 SDA 从低电平向高电平的过渡。START 和 STOP 总由主 I²C 生成，如图 2 所示。可以认为 START 之后 I²C 总线为忙，STOP 之后 I²C 总线为空。数据传输期间，主 I²C 可产生重复的 START。 START 和重复的 START 功能上是等效的。在时钟信号 ( SCL)为高电平期间，SDA 上的数据必须保持稳定，也就是说，SDA 的状态不只在 SCL 为低电平时能够改变。

LM3509 芯片的地址是 0110110。 START 之后，主 I²C 发送一个紧随读或写 ( R/W ) 位之后的 7 位芯片地址。R/W = 0 表示写，R/W = 1 表示读。紧随芯片地址的第二二进位组选作将写入数据的寄存器地址。第三二进位组包含的则是所选寄存器的数据，如图 3 所示。

　　SDA 行上的每个二进位组的长度必须有 8 位，最高位 ( MSB ) 首先传输。每个数据二进位组必须后随一个确认位 ( ACK )。与时钟脉冲 (第 9 次时钟脉冲) 相关的确认位系由主 I²C 所产生。在 9 个时钟脉冲期间，主 I²C 将解除 SDA 的高电平，于是 SDA 被  LM3509 拉下，表示一个确认位。一旦每个二进位组被接收，都会产生确认位。图 4 所示即 LM3509 通用寄存器“写”过程的例子。

　　LM3509 内部有 4 个 8 位寄存器，详情示于表 2：

表 2  LM3509 内部寄存器详情

　　其中通用寄存器有四个功能：控制 MAIN 和 SUB/FB 的通断；在调和与非调和模式间作出选择，给出 LED 电流改变率总的控制（详见亮度改变率的说明）以及在白光 LED 和OLED 模式间作出选择。图 5 和表 3 为通用寄存器内每有效位的描述。

通用寄存器的 UNI 取 0（非调和模式），亮度寄存器 ( BMAIN 和 BSUB ) 分别独立控制了电流I_MAIN 和I_SUB/FB 。BMAIN 和 BSUB都是 8 位，但仅5个最低位控制电流，3个最高位不作考虑。LED 电流的控制设计为随BMAIN 或 BSUB的编码近似按指数增加，如图6。从SET 至 GND接电阻RSET则可调节电流 I_{LED_MAX}，此处

　　
 
　　表4 为其工作真值表：

表4 为其工作真值表

　　通用寄存器的 UNI 取 1（调和模式），BSUB不能工作， I_MAIN 和I_SUB/FB 由BMAIN 设定。电流阱之间的典型匹配精度，UNI = 0 时为1%，UNI = 1时为0.15%。图7和8所示即亮度主、次寄存器的描述。

　　表5为亮度寄存器数据：

表5亮度寄存器数据

 RMP0 和 RMP1 控制了 LED 电流I_MAIN 和I_SUB/F  的变化率以响应 B BMAIN 和/或BSUB 的变化。如表6 所示，有 4 种用户可编程的 LED 电流变化率可设定 LM3509。譬如，若RSET = 12kΩ，有I_{LED_MAX} = 20mA。BMAIN 取0 ×1F  (I_MAIN = 20mA), 假定BMAIN变为 0 × 00，就有I_{LED_MAX} = 0 mA 的结果。RMP0 =1 和 RMP1 =1 ( 52ms/step )，I_MAIN 将以31步，每步间隔52ms从20mA 降至0 mA 除从0 ×1F至0 ×1E 外总计1560ms的全电流变化外。一般来说，从一个亮度码过渡到另一亮度码的总时间为

　　最后，必须强调的是无论 MAIN 或者 SUB/FB 当作白光 LED 偏置源配置时，LM3509可以提供真正的关闭功能。通用寄存器的 ENM  (第1位) 写1 ，主电流阱关闭并迫使 MAIN 端口为高阻抗。通用寄存器的 ENS  (第 2 位) 写0 ，次电流阱关闭并迫使 SUB/FB 端口为高阻抗。ENM 或 ENS 写1 ，主、次电流阱分别开启。LM3509 关闭时，MAIN 或 SUB/FB 流入的漏电流典型值为3.6μA。

四，LM3509 应用简述

　　LM3509 可在如下应用中采用：

　　便擕式应用中的双显示 LCD 背光
　　大屏幕LCD 背光
　　OLED 面板电源

　　图 9 为 LM3509典型的应用电路示例，电路计算和元件选择如下：

电流设定和最大LED电流

　　为调节流入MAIN 或 SUB/FB 的最大LED电流(I_{LED_MAX})，从 SET至 GND接入电阻R_SET。R_SET 与I_{LED_MAX} 的关系为

 
式中1.244V 为 SET 端口输出的恒定电压。 OLED 模式的电压设定

　　从变换器输出至 SUB/FB、GND 接入反馈电阻设定 OLED 模式的输出电压( 见图 9 OLED 面板电源电路中R1 和 R2 )。首先选取 R2 < 100kΩ，然后计算 R1 以使

OLED 模式中，主电流阱通过 MAIN 连续调整电流，但 U_MAIN 不再受调整。为避免脱落和确保电流适当调整，该应用须保证 U_MAIN > 0.3V。

　　输出电容的选择

　　LM3509 的输出电容在升压变换器导通期间向 LED 提供电流。变换器截止时，电感能量通过二极管放电向 LED 和输出电容充电供能。结果输出电压在变换器导通期间会跌落，变换器截止期间将升高，引成输出电压纹波，故输出电容应根据 LED 和 OLED 面板的电流要求以及输入-输出电压差使输出电压纹波不致超出可接受范围的原则来选取，电容量范围在 1μF 至2.2μF 的陶瓷电容器较合适。通常输出电压纹波可分为由电容放电引起的ΔU_Q 纹波和由电容等效串联电阻引起的ΔU_ESR 纹波两部分。对于连续传导模式，则纹波分量为

和

式中

电感的选择

　　LM3509 设计的电感值为 10μH，但输出电容增大一倍，22μH 也是合适的。选择电感应确保其额定饱和电流 ( I_SAT )  足够高，且电感足够大，以使在最大 LED 电流时电感峰值电流仍小于 LM3509 的峰值开关切换电流的限定。 这可通过如下选择实现：

式中

下表给出有关电感的推荐值：

表7  RMP0 和 RMP1 控制的亮度变化率

　　二极管的选择

　　选择输出二极管的原则是其反向击穿电压须大于最大输出电压，为处理LM3509的输出电流，其平均电流额定值应足够大，此外，还须有足够高的峰值电流额定值以能处理电感的峰值电流。一般来说，由于肖特基二极管的正向压降小于( 0.3V～0.5V ) 普通PN 二极管的正向压降 ( 0.6V ～ 0.8V )，故都推荐使用肖特基二极管，表 8 为即推荐使用的肖特基二极。

　　OLED 模式的额定输出电流

　　OLED 模式下（假设电流连续传导），LM3509 能馈送的最大输出电流受典型值为770mA 的峰值电流、电感值、输入的电压和输出电压4个因素限定。最大输出电流 I_{OUT_MAX} 的计算公式为：

式中

　　对 U_OUT = 18V，假定效率为70% 的典型应用电路而言，U_IN = 2.7V 时的最大输出电流约为 70mA。在V_IN = 4.2V时，由于通态时间较短，平均输入电流更低，效率为70% 的最大输出电流将跳到约 105mA。图 10 所示为按上述表式计算的I_{OUT_MAX}与 U_IN的对应关系曲线（ 假定效率为 80% ）。现实中，由于电流限和效率等因素会随 U_IN、温度和选择的元件变，实际的 I_{OUT_MAX} 要完全可能更高或更低。

　　OLED 模式的输出电压范围

　　在 LM3509 的输出电压主要受 2 个因素影响：其一是在低端（假设连续传导），它受10% 的最小占空比限制，其二是在高端，它受（典型值为22V）过电压保护阈值（VOVP）限制。为了维持不同输出电压下运行的稳定性，输出电容和电感必须更改，表 9 为不同 U_OUT、 C_OUT 和 L 组合与输出电压的对应关系表。

　　五，结束语

　　通过以上简介不难了解LM3509 确实是一款颇具特色的集成驱动器。当前，正值LED与OLED 应用及固态照明方兴未艾，IC厂商都在致力研究开发和生产各类面向照明 LED 和OLED器件驱动控制的芯片及相关应用解决方案之际，有计划地介绍相关技术应有必要，刺激本文的初衷。