智能手機的背光驅動選擇策略 - 全文

　　過去的一年是中國的手機行業(yè)發(fā)生深刻變化的一年，傳統(tǒng)的功能手機市場急劇萎縮，而智能機和類智能機成為行業(yè)新寵，并在未來會逐漸成為市場主流。

　　另外，3G時代重應用，大屏幕的智能機和類智能機的走俏也順應了這一趨勢，對于視頻、動漫游戲、手機閱讀等應用來說，大屏幕成為必不可少的配置，從用戶的使用體驗來看，3.0~4.3英寸是比較適合的屏幕尺寸，這個尺寸的LCD屏一般需要5~10顆WLED來為其提供背光光源。另外手機LCD屏尺寸變大的同時，SLCD屏、AVS屏、IPS硬屏等高清高亮屏不斷出現(xiàn)并逐漸成為智能機和類智能機的標配。分辨率的提升可以讓顯示的畫面更細膩，而亮度的提升可以使屏幕的畫面更加通透，讓用戶感覺屏幕的色彩表現(xiàn)更加出色。提高亮度通常需要增加更多的背光WLED來實現(xiàn)。對于3.7英寸的LCD屏來說，普通200流明的亮度可能只需要6顆WLED背光，但高亮屏需要300流明或者500流明的亮度，就需要7顆甚至8顆WLED背光。

　　如何為智能機和類智能機選擇合適的背光驅動方案，是設計人員當前和未來需要考慮的問題。手機背光驅動芯片按架構分主要有：自適應電荷泵升壓型、低壓降恒流型和電感升壓型等，不同的架構有各自的優(yōu)缺點，本文以設計人員普遍關注的幾個主要問題入手，并提出了這些問題的幾種不同解決方案以及幾種方案的優(yōu)勢對比，希望能從這些方案中幫助設計人員選擇合適的背光驅動方案。

　　大屏幕尺寸手機背光面臨的主要問題及解決方案

　　噪聲輻射問題

　　手機系統(tǒng)是在一個狹小的空間內集成度非常高的系統(tǒng)，系統(tǒng)內各模塊之間的互相干擾一直是讓廣大設計人員頭疼的問題，也是背光驅動模塊碰到的最難解決的問題。如果設計考慮不充分，背光驅動模塊工作時可能會產(chǎn)生一些噪聲輻射而干擾到射等頻模塊信號的靈敏度，比如會干擾手機信號的靈敏度或者影響GPS導航信號的靈敏度，干擾嚴重的可能會出現(xiàn)手機信號掉網(wǎng)、GPS導航系統(tǒng)找不到導航衛(wèi)星的問題。

　　表1.不同類型背光驅動的噪聲輻射。

　　這三種背光驅動類型中，低壓降恒流型架構由于是線性電路，幾乎不會產(chǎn)生噪聲，自適應電荷泵型背光驅動和電感升壓型背光驅動的電源、地線和輸出等大功率信號的波動會通過PCB的寄生產(chǎn)生耦合噪聲，這些耦合噪聲可通過在芯片設計時芯片內部關鍵的大功率信號的信號沿的處理和外部的耦合電容將耦合噪聲減小對系統(tǒng)其他模塊的影響至最小。

　　電感升壓型背光驅動的電感上產(chǎn)生的EMI輻射噪聲是最嚴重的噪聲輻射，而且很難通過背光驅動芯片設計時內部處理或者外圍器件來減小的，手機設計人員在設計時需要將射頻模塊遠離電感升壓型背光驅動模塊。部分設計人員為了減小電感的EMI輻射影響，會將電感升壓型背光驅動及其外圍器件包括電感都放在屏蔽罩內，這樣雖然能減小EMI輻射的影響，但電感的高度會增加屏蔽罩的高度，對設計超薄智能機帶來很大難度。

　　從噪聲輻射影響的角度來看，低壓降恒流型背光驅動的噪聲性能最優(yōu)，自適應電荷泵型背光驅動噪聲性能次之，而電感升壓型背光驅動的噪聲性能最差，設計時需要特別注意。

　　占板面積、空間及成本問題

　　手機的PCB器件布局及面積一直是手機PCB設計的一個嚴峻挑戰(zhàn)，而且這個挑戰(zhàn)隨著手機功能越豐富也越嚴峻。通常應對占板面積挑戰(zhàn)的主要方法是采用集成度更高的手機芯片盡可能減少外圍器件數(shù)量和選用尺寸更小的外圍器件。

　　對于背光驅動模塊來說，背光驅動芯片和外圍器件的封裝尺寸決定了背光驅動模塊的占板面積，圖1是分別是10路輸出的采用電感升壓型背光驅動和上海艾為的一款最新的四模分數(shù)倍電荷泵背光驅動AW9670QNR以及8路輸出的低壓降恒流型背光驅動AW9358QNR三種背光驅動模塊的PCB layout對比圖。

　　圖1.三種不同類型背光驅動PCB Layout面積對比。

　　從圖1中可以看到，電感升壓型背光驅動模塊由于要使用電感、肖特基二極管和高耐壓的MLCC電容，而這些器件的封裝尺寸都相對較大，而AW9670QNR和AW9358QNR外圍分別只需要4個和1個0402的MLCC電容，所以電感升壓型背光驅動的PCB Layout面積要遠遠大于AW9670QNR和AW9358QNR的PCB Layout面積。電感升壓型背光驅動模塊PCB Layout面積是AW9670QNR背光驅動模塊面積的2.3倍、AW9358QNR背光驅動模塊面積的3.9倍！

　　轉換效率

　　手機屏幕的尺寸越來越大，手機屏幕的背光功耗越來越是手機設計人員關心的一個問題。為了盡可能的延長手機的工作時間，手機設計人員會越來越關心背光驅動的轉換效率。自適應電荷泵技術在持續(xù)發(fā)展，尤其是分數(shù)倍電荷泵技術的采用，使得自適應電荷泵架構的背光驅動效率越來越高。圖2是上海艾為的AW9670QNR與一款同是10路輸出的電感升壓型背光驅動輸出20mA時的效率曲線對比圖。

　　圖 2.20mA輸出的四模分數(shù)電荷泵與電感升壓型背光驅動效率曲線對比圖。

　　從圖2中可以看到，輸入電壓在3.0~4.2V的手機應用場合，電感升壓型背光驅動的轉換效率（藍色曲線）和AW9670QNR的轉換效率（紫紅色曲線）基本上接近，平均效率都接近80%.若亮度變暗，LED電流減小，四模分數(shù)倍電荷泵背光驅動的轉換效率會進一步提高，而電感升壓型背光驅動的轉換效率卻隨電流變小而減小，圖3是10mA輸出時電感升壓型背光驅動和AW9670QNR的轉換效率曲線對比圖，由于AW9670QNR大部分時間都是工作在高效率的1倍模式，轉換效率要明顯高于電感升壓型背光驅動的轉換效率。

　　圖 3.10mA輸出的四模分數(shù)電荷泵與電感升壓型背光驅動效率曲線對比圖。

　　散熱問題

　　手機基帶芯片的主頻不斷提高、增加的功能越來越多，手機的功耗越來越大，散熱問題越來越成為手機設計人員在產(chǎn)品設計的初期需要認真考慮的一個關鍵問題。

　　手機的熱設計需要對主要熱源器件進行功耗分析、計算熱源器件的熱距離布局面積以及環(huán)境溫度分析等。PCB布局時需要遵循一些基本的熱設計原則，比如發(fā)熱較高的器件盡量不放在PCB的角落或者邊緣，增加高發(fā)熱器件下面的鋪地層面積、增加屏蔽罩等。

　　由于手機屏幕的不斷增大，手機背光模塊的功耗占手機整體功耗的比例也越來越大，手機設計人員也需要在產(chǎn)品設計初期考慮背光驅動模塊的熱設計。除了背光驅動模的PCB熱設計考慮和選擇效率更高的背光驅動芯片外，手機設計人員在選擇背光驅動芯片時還需要特別背光驅動芯片的封裝熱阻。

　　芯片的封裝熱阻是衡量封裝將管芯產(chǎn)生的熱量傳導至電路板或周圍環(huán)境的能力的一個標準。封裝熱阻和封裝材料（引線框架、模塑材料、管芯粘接材料）、封裝設計（管芯厚度、裸焊盤、內部散熱過孔、所用金屬材料的熱傳導率）有關。封裝熱阻越大，則表示芯片內部的熱不容易傳導，芯片的溫度越高。芯片封裝熱阻一般用θJA來表示，單位是℃/W，芯片封裝熱阻的計算公式為：

　　θJA=（TJ-TA）/PD

　　其中TJ為芯片結溫，TA為環(huán)境溫度，PD為芯片內部功耗。已知芯片的封裝熱阻，則可以根據(jù)芯片內部的功耗和環(huán)境溫度算出芯片的結溫。例如一個芯片的封裝熱阻為100℃/W，環(huán)境溫度為25℃時，若芯片內部功耗為1W，則芯片的結溫和環(huán)境溫度差別是100℃，芯片結溫為125℃。

　　背光驅動芯片常見的封裝和封裝熱阻如表2：

　　表2.背光驅動常見封裝形式及封裝熱阻。

　　由于沒有散熱片，SOT23-5L（6L）封裝的封裝熱阻要遠大于其他四種封裝的封裝熱阻，芯片結溫明顯要高于其他四種封裝。比如在環(huán)境溫度為25℃時，對于輸出驅動10顆LED，輸出功率大致在0.6W左右（LED導通壓降3.0V，每路LED電流為20mA），若轉換效率為75%，則芯片內部功耗為0.2W，四種封裝結溫分別為77℃、40.2℃、35.4℃和34℃。相比采用SOT23-5L（6L）封裝技術的電感升壓型背光，采用DFN2x2-8L的電感升壓型背光和并聯(lián)背光驅動的芯片結溫優(yōu)勢更明顯。

　　上海艾為的智能機和類智能機背光驅動系列

　　上海艾為的背光驅動產(chǎn)品線是業(yè)界最豐富的產(chǎn)品線之一，針對智能機和類智能機的背光驅動主要產(chǎn)品見表3.

　　表3.艾為智能背光驅動系列。

　　AW9910STR/DRN和AW9920STR/DNR是上海艾為全新的電感升壓型背光驅動，采用艾為獨創(chuàng)的EMI抑制技術、PWM轉恒流調光技術最大程度減小噪聲輻射，集成恒流控制和恒壓控制雙環(huán)路相比傳統(tǒng)的單電壓控制環(huán)路，LED的恒流輸出電流更穩(wěn)定，不易受干擾。AW9910和AW9920均同時支持SOT23-5L封裝和封裝熱阻更小的DFN2x2-8L封裝。AW9670QNR、AW9358QNR和AW9920DNR的典型應用圖分別如圖4、圖5和圖6所示。

　　圖4.AW9670QNR典型應用圖。

　　圖5.AW9358QNR典型應用圖。

　　圖6.AW9920典型應用圖。

　　總結

　　智能機和類智能機的興起使大屏和高清高亮屏成為手機屏幕的主流，本文從手機設計人員普遍關心的幾個問題入手，討論了智能時代手機背光驅動面臨一些問題和挑戰(zhàn)，并對這些挑戰(zhàn)提出了相應的應對措施和解決方案，以幫助設計人員設計出能滿足性能更優(yōu)、占板面積更小、可靠性更高的智能機背光驅動模塊。