便攜設(shè)備顯示器的背光照明能源消耗解決方案

現(xiàn)今的便攜設(shè)備不單功能越來越多，而且對(duì)功率的需求也越來越大，這對(duì)便攜電池的電源設(shè)計(jì)構(gòu)成很大的挑戰(zhàn)。然而，如果對(duì)有關(guān)應(yīng)用的能源消耗有更深入的認(rèn)識(shí)，便可設(shè)計(jì)出更加節(jié)能的解決方案，這不單可以延長(zhǎng)電池的壽命，而且可以提供更好的用戶體驗(yàn) 。

減少便攜設(shè)備顯示器的用電量

隨著便攜設(shè)備的顯示器尺寸越來越大，分辨率和亮度不斷提高，顯示器的背光照明成為能源的最大挑戰(zhàn)。一臺(tái)典型的小型顯示器模塊需要3到10個(gè)LED才能提供正常的照明。

為了解決背光顯示器的能耗問題，一個(gè)高效能驅(qū)動(dòng)LED的方法即使用開關(guān)電容器。采用這種技術(shù)，輸入電壓便可連接到能夠產(chǎn)生穩(wěn)定輸出的多增益開關(guān)電容器。在開環(huán)運(yùn)作下，輸出電壓的大小相當(dāng)于增益與輸入電壓的乘積。至于閉環(huán)運(yùn)作則可形成一個(gè)固定的輸出，而該輸出的電壓應(yīng)僅大于LED的正向電壓和所有的壓降。輸出電壓與正向電壓之間的差別便是凈空，而它必須受到監(jiān)管以確保電流流通。在最寬輸入電壓范圍內(nèi)的最大有效增益中，電容器在增益瞬態(tài)時(shí)只會(huì)消耗最小電能，而且它會(huì)根據(jù)LED的正向電壓和負(fù)載要求而不斷作出調(diào)節(jié)。雙增益升壓模式（LM2755為1x、LM2756為3/2x，而LM2757為2x和3/2x）可以在一個(gè)寬輸入電壓范圍內(nèi)產(chǎn)生超高效率，使電池的壽命得以延長(zhǎng)。

現(xiàn)今的消費(fèi)者傾向追求體積更纖小的便攜設(shè)備，這使得電路板空間變得更加珍貴。開關(guān)電容器拓?fù)涞牧硪粋€(gè)優(yōu)點(diǎn)是無需使用電感器，這不僅有助于縮小方案的尺寸，還可節(jié)省材料成本。LM2755、LM2756和LM2757是開關(guān)電容器升壓技術(shù)的一些例子，它們能夠驅(qū)動(dòng)多至10個(gè)LED （每個(gè)可驅(qū)動(dòng)高達(dá)30mA的二極管電流）。這種較小的解決方案可使驅(qū)動(dòng)器放置在局部而不是中心區(qū)域，從而降低了電磁的干擾。

白光LED的可編程性對(duì)于控制顯示器的照明來說至關(guān)重要。例如，當(dāng)一個(gè)用戶正在使用移動(dòng)電話通話時(shí)，他們不會(huì)與顯示器產(chǎn)生任何的互動(dòng)，因此該顯示器應(yīng)該選擇調(diào)暗。LM2755和LM2756均包含I2C兼容接口，能夠根據(jù)手機(jī)的工作情況來控制顯示器的亮度。

圖1所示為一個(gè)32級(jí)調(diào)光指數(shù)的設(shè)置，它具備800:1的調(diào)光比率，能夠進(jìn)行真正可用肉眼覺察到的線性亮度級(jí)控制，其調(diào)光模式可以提供一個(gè)流暢的顯示器開/關(guān)過渡。我們的眼睛其實(shí)可以看成一個(gè)對(duì)數(shù)式的感光器，因?yàn)樗且韵嗤谋嚷识窍嗤脑隽縼韺?duì)光作出反應(yīng)。所謂線性的亮度增加其實(shí)就是現(xiàn)實(shí)中可感受到的調(diào)光指數(shù)。通過將背光調(diào)暗或關(guān)閉，設(shè)計(jì)人員便可獲得更大的靈活性，并可延長(zhǎng)電池的壽命。

圖2是LM2756的一個(gè)典型的應(yīng)用電路。其中，LM2756驅(qū)動(dòng)八個(gè)LED，它們被分成三組獨(dú)立控制，以用作不同的顯示用途。以下的算式給出LED的電流水平：

I_{DxA/B/C}（A）=189x（V_{ISET}/R_{SET}）

配合一個(gè)正確選擇的電阻器（RSET）并把它放置在ISET和接地之間，則所需的電流便可通過LED連接到DxA和DxB，算式當(dāng)中的x代表某LED的電流阱（current sink），而A、B和C則分別代表某一組的LED。

一旦電流水平被設(shè)定，模擬電流調(diào)節(jié)便可通過I2C兼容接口來內(nèi)部調(diào)節(jié)LED的光暗。圖1中32個(gè)指數(shù)式的模擬亮度級(jí)可被配置供A組的LED使用，與此同時(shí)，B組和C組的LED則可處理8個(gè)線性的模擬亮度級(jí)。

配合可獨(dú)立控制多組LED的能力，單一LED驅(qū)動(dòng)器便可用來同時(shí)控制主顯示器、輔顯示器或鍵盤的LED和LED指示燈。LM2756之所以集成這些功能，是因?yàn)椴⑷肓税藗€(gè)電流阱并把它們分成三組。其中四個(gè)電流阱分到A組，而B組和C組則分別有一個(gè)電流阱。通過運(yùn)用一個(gè)寄存器，兩個(gè)余下的電流阱（D53和D62）可以供給A組或B組使用。這種設(shè)置使主顯示器能有4、5或6個(gè)LED可以使用，而余下的LED則可用作其他的照明功能。

外圍照明

個(gè)人移動(dòng)設(shè)備除了主顯示器以外，還有很多地方需要更出色的照明。因此，用作其他照明用途的輔助LED便會(huì)消耗更多的電池電量。鍵盤背光燈是目前手持應(yīng)用的一項(xiàng)重要功能，它不需要像主顯示背光驅(qū)動(dòng)器般要求太多的LED電流匹配。LM2757可為鍵盤后的LED照明提供細(xì)小的開關(guān)電容器、電壓源和升壓解決方案，而且效率可達(dá)90%。LED提示燈可通知用戶電池的電量不足、電池的充電狀態(tài)或有短信送達(dá)。此外，這些LED也可用作其他有趣的照明用途。配合三個(gè)獨(dú)立的RGB LED輸出，LM27551可通過I2C兼容接口為每一個(gè)輸出編輯一套光暗模式來促成多區(qū)照明。

為達(dá)到提示燈和裝飾照明的用途，LED通常都需要配合一個(gè)光暗模式。圖3中的LM2755可允許設(shè)計(jì)人員編設(shè)出一個(gè)梯形調(diào)光波形來獨(dú)立控制每一個(gè)輸出。下列的算式可計(jì)算出圖4波形的延遲、上升、下降、高和低的時(shí)間。

假如使用內(nèi)部時(shí)鐘，那T_{STEP}= 50μs×2^{（N+1）}；若使用SYNC引腳上的外部時(shí)鐘，那T_{STEP}=（1/f_{PWM}）×2^{（N+1）}

t_{rise/fall Total}=T_{STEP}×（n_{high}-n_{low}）×n_{Trise/fall}，當(dāng)中 0≤n_{Trise/fall}≤255

t_{rise or fall Total}=50μs×（n_{high}-n_{low}），當(dāng)中n_{Trise/fall}=0

t_{high or low}=T_{STEP}×（n_{high/low}+1），當(dāng)中0≤n_{Thigh/low}≤255

t_{delay}=T_{STEP}×n_{delay}，當(dāng)中 0≤n_{delay}≤255

在算式中，變量nTrise、nTfall、nThigh和nTlow的數(shù)值介乎0到255間，而nhigh 和 nlow則是從0到31中選出來的數(shù)字，當(dāng)調(diào)光波形的生效位設(shè)定為“1”時(shí)，這些數(shù)字便成為亮度級(jí)的邊界。至于N是一個(gè)0到7的數(shù)字，存儲(chǔ)在時(shí)間步長(zhǎng)寄存器中。脈沖寬度調(diào)制（PWM）信號(hào)周期（fPWM）會(huì)被設(shè)定成50s的預(yù)設(shè)值。假如使用的是外部時(shí)鐘，那么這個(gè)信號(hào)周期便會(huì)變?yōu)閒PWM=fSYNC/32。對(duì)于每一個(gè)輸出來說，定制的波形只需進(jìn)行一次編程。當(dāng)所有數(shù)值被設(shè)定后，I2C兼容接口便會(huì)觸發(fā)照明模式的開始和停止時(shí)間。諸如LM2757擁有的定時(shí)控制功能，是任何外圍照明都不可或缺的理想工具。

促成新的顯示器技術(shù)

雖然，白光LED可提供高效率的功率轉(zhuǎn)換，但由于技術(shù)限制，能夠再改善的空間很有限。因此，采用有機(jī)LED（OLED）顯示器便可解決設(shè)計(jì)人員的功耗問題。一般的LCD顯示器都是依賴白光LED作背光，但OLED顯示器則依賴每一個(gè)像素來直接產(chǎn)生光線，使得顯示出來的顏色更加亮麗。OLED顯示器由于無需使用背光照亮顯示器，因此可節(jié)省更多的能耗。為達(dá)到這個(gè)目的，每一個(gè)像素都會(huì)按需要來進(jìn)行開或關(guān)，而一個(gè)電路會(huì)負(fù)責(zé)控制每一行的像素。一個(gè)像素可以只包含一個(gè)二極管作單色顯示，又或是包含三個(gè)二極管（紅、綠和藍(lán)）作彩色顯示。與LCD顯示器模塊不同，OLED顯示器的二極管嵌入在OLED顯示器模塊里面。在無源矩陣OLED（PMOLED）顯示器中，電源用來為整行像素預(yù)先充電，而通常所用的電壓都高于正常的5V電壓，而所需施加的電壓大小會(huì)視乎每行像素的數(shù)量，又或是OLED顯示器的尺寸而定。

圖5中的LM4510 OLED驅(qū)動(dòng)器可以通過一個(gè)鋰離子電池的輸入來提供80mA到280mA的電流，以及5V到18V的電壓。這個(gè)開關(guān)穩(wěn)壓器能夠?qū)⑿芴嵘?5%，并且無需使用肖特基二極管，這為設(shè)計(jì)人員提供了一個(gè)小巧而高效能的解決方案。

消費(fèi)者不斷追求他們的便攜手持設(shè)備擁有更卓越的多媒體功能，因此設(shè)計(jì)人員必須加倍用心地正視其功耗問題，否則便難以應(yīng)對(duì)全球移動(dòng)手機(jī)對(duì)高畫質(zhì)視頻及其他卓越性能的日益高漲的需求。要克服這個(gè)挑戰(zhàn)，模擬設(shè)計(jì)人員需要與時(shí)俱進(jìn)，作出革新，開發(fā)出更具高效能的解決方案。