黥布者,六人也,姓英氏。秦时为布衣。少年,有客相之曰:“当刑而王。”及壮,坐法黥。布欣然笑曰;“人相我当刑而王,几是乎?”人有闻者,共俳笑之。 - 《史记 - 黥布列传》
少年时有人给英布相面,当刑而王,即先受刑而后称王。及其壮年,受脸上刻字的黥刑,故称黥布。虽身处囚徒的卑贱境地,他却不当回事。
毕业后爱读史记,直观感觉上,电路中的Boost拓扑与英布当刑而王的传奇经历非常像。
斩波之刑甚至比黥刑更为酷烈,可谓是初始的卑微 + 持续的折磨。Boost电路在开关管导通时,输入电压会直接加在电感上,电感被迫以磁场的形式储存能量,但其电压被二极管隔离,地位卑微。MOS不断地开与关,如同一次次施加在刑罚,电感电流不断地建立、中断,承受着循环往复的折磨,如同西西弗斯周而复始推石头上山。
但虽受刑,在开关管关断的瞬间,却展现出王者的气概。电感有维持其电流不突变的天性(楞次定律),会产生一个感应电动势。感应电动势与输入电压串联叠加,一举攻克二极管的阻碍,向输出端释放能量,将电压提升到高于输入的水平。如同壮年英布与豪杰交通,奋起反秦,终成诸侯王。
在手机中,锂电池电压最大不过4.45V,需要高压怎么办呢?请Boost电路或升压电荷泵等出山咯。
如果再问:手机中最高的电压有多高,用在什么地方?
若不抬杠,排除掉静电、浪涌这些短暂高压,LCD屏幕时代(液晶屏)的背光驱动能产生高达20多伏的电压,算得上手机内部最高的电压。

至于背光在LCD屏幕模组的作用,相信你看到下面的图片就理解了。

LCD背光驱动拓扑
其拓扑是一种典型的boost型恒流源拓扑,即属于Boost拓扑,但与常规Boost相比,是对输出电流进行采样和闭环反馈。因为LED是一种电流驱动器件,其亮度主要由流过它的电流大小决定。
主控IC通过监测采样电阻两端的电压(VFB= I_led * R_set),并与内部的基准电压(200mV)进行比较。通过反馈环路动态调整开关管的占空比,使得VFB始终等于基准电压,从而实现了恒定的输出电流 I_led = V_ref / R_set。

主控芯片的内部框图如下:

CTRL脚的存在,使得工程师可用PWM信号调节屏幕的亮度。内部框图如下图,其实是PWM信号的占空比起到调节的作用。

PWM信号被内部的RC低通滤波器滤波,滤波后连接到误差放大器的参考电压端,因此实现了亮度调节。但需注意,如果PWM频率过低,会产生人眼可见的闪烁,引起不适。

除了PWM调光方案,也可以直接改变基准电压(V_ref)的方式来调节LED电流。这种方案称为模拟调光,电路简单,无闪烁风险。
功率电感选型
功率电感在该拓扑中用于能量存储和传递。其饱和电流必须大于电路中的峰值电流,甚至要满足一定的降额规范(大厂出于可靠性的考虑,会制定降额规范),直流电阻DCR会影响效率,电感电流波形是三角形。

肖特基二极管选型
为了提升效率,通常使用肖特基二极管作为整流管。LCD背光Boost电路的开关频率通常在1~2MHz之间,因此要求肖特基的开关速度也要足够快。此外要确保二极管的平均电流和峰值电流大于电感的平均输出电流和峰值电流。二极管的反向击穿电压必须大于主控芯片在LED开路时的过压保护电压,防止被击穿。
其他feature
1、软起动
软启动可以避免启动期间的浪涌电流干坏芯片或LCD模组,使能软起动后,FB引脚的电压缓上升到参考电压,输出电压从而缓上升。

2、LED开路过压保护
Boost拓扑要特别注意过压保护,提防开路把电路干坏。如果背光模组开路,或者没有扣合屏幕的BTB,那么对于Boost恒流源来说,理论上它要输出一个无穷大的电压,于是设定一个保护电压点,防止IC损坏。具体方法为:芯片在每个开关周期都会监测SW引脚的电压,如果SW电压超过阈值,并且维持了8个时钟周期,那么芯片会立即关闭开关管。

3、UVLO(欠压锁定)
欠压锁定可防止设备在输入电压过低的情况下工作。当输入电压低于欠压阈值时,内部开关管关断。规避在异常低的电源电压下,芯片内部数字系统不稳定,同时可防止电池因深度放电而受损。
4、过流保护
防止输出电流异常过大损坏LED和驱动电路。
5、过温保护
当驱动IC芯片温度过高时,自动降低输出电流或关闭电路,防止热损坏。
总结
背光驱动电路是为LCD模组服务的关键电路,当前LCD屏幕逐渐式微,仅存在于一些低端机上,但其不伤眼的特性还是可圈可点的。期望LCD屏幕不要退出历史舞台,毕竟商人重利轻别离,水军洗地无不为,有不关心人类健康的倾向。