设计高效能的手持设备照明解决方案

2012-09-26 来源：维库电子

　　现今的便携设备不单功能越来越多，而且对功率的需求也越来越大，这对便携电池的电源设计构成很大的挑战。然而，如果对有关应用的能源消耗有更深入的认识，便可设计出更加节能的解决方案，这不单可以延长电池的寿命，而且可以提供更好的用户体验。

　　减少便携设备显示器的用电量

　　随着便携设备的显示器尺寸越来越大，分辨率和亮度不断提高，显示器的背光照明成为能源的最大挑战。一台典型的小型显示器模块需要3到10个LED才能提供正常的照明。

　　为了解决背光显示器的能耗问题，一个高效能驱动LED的方法即使用开关电容器。采用这种技术，输入电压便可连接到能够产生稳定输出的多增益开关电容器。在开环运作下，输出电压的大小相当于增益与输入电压的乘积。至于闭环运作则可形成一个固定的输出，而该输出的电压应仅大于LED的正向电压和所有的压降。输出电压与正向电压之间的差别便是净空，而它必须受到监管以确保电流流通。在最宽输入电压范围内的最大有效增益中，电容器在增益瞬态时只会消耗最小电能，而且它会根据LED的正向电压和负载要求而不断作出调节。双增益升压模式(LM2755为1x、LM2756为3/2x，而LM2757为2x和3/2x)可以在一个宽输入电压范围内产生超高效率，使电池的寿命得以延长。

　　现今的消费者倾向追求体积更纤小的便携设备，这使得电路板空间变得更加珍贵。开关电容器拓扑的另一个优点是无需使用电　　感器，这不仅有助于缩小方案的尺寸，还可节省材料成本。LM2755、LM2756和LM2757是开关电容器升压技术的一些例子，它们能够驱动多至10个LED (每个可驱动高达30mA的二极管电流)。这种较小的解决方案可使驱动器放置在局部而不是中心区域，从而降低了电磁的干扰。

　　白光LED的可编程性对于控制显示器的照明来说至关重要。例如，当一个用户正在使用移动电话通话时，他们不会与显示器产生任何的互动，因此该显示器应该选择调暗。LM2755和LM2756均包含I2C兼容接口，能够根据手机的工作情况来控制显示器的亮度。

　　图1所示为一个32级调光指数的设置，它具备800:1的调光比率，能够进行真正可用肉眼觉察到的线性亮度级控制，其调光模式可以提供一个流畅的显示器开/关过渡。我们的眼睛其实可以看成一个对数式的感光器，因为它是以相同的比率而非相同的增量来对光作出反应。所谓线性的亮度增加其实就是现实中可感受到的调光指数。通过将背光调暗或关闭，设计人员便可获得更大的灵活性，并可延长电池的寿命。

　　图2是LM2756的一个典型的应用电路。其中，LM2756驱动八个LED，它们被分成三组独立控制，以用作不同的显示用途。以下的算式给出LED的电流水平：

　　I_{DxA/B/C}(A)=189x(V_{ISET}/R_{SET})

　　配合一个正确选择的电阻器(RSET)并把它放置在ISET和接地之间，则所需的电流便可通过LED连接到DxA和DxB，算式当中的x代表某LED的电流阱(current sink)，而A、B和C则分别代表某一组的LED。

　　一旦电流水平被设定，模拟电流调节便可通过I2C兼容接口来内部调节LED的光暗。图1中32个指数式的模拟亮度级可被配置供A组的LED使用，与此同时，B组和C组的LED则可处理8个线性的模拟亮度级。

　　配合可独立控制多组LED的能力，单一LED驱动器便可用来同时控制主显示器、辅显示器或键盘的LED和LED指示灯。LM2756之所以集成这些功能，是因为并入了八个电流阱并把它们分成三组。其中四个电流阱分到A组，而B组和C组则分别有一个电流阱。通过运用一个寄存器，两个余下的电流阱(D53和D62)可以供给A组或B组使用。这种设置使主显示器能有4、5或6个LED可以使用，而余下的LED则可用作其他的照明功能。

　　外围照明

　　个人移动设备除了主显示器以外，还有很多地方需要更出色的照明。因此，用作其他照明用途的辅助LED便会消耗更多的电池电量。键盘背光灯是目前手持应用的一项重要功能，它不需要像主显示背光驱动器般要求太多的LED电流匹配。LM2757可为键盘后的LED照明提供细小的开关电容器、电压源和升压解决方案，而且效率可达90%。LED提示灯可通知用户电池的电量不足、电池的充电状态或有短信送达。此外，这些LED也可用作其他有趣的照明用途。配合三个独立的RGB LED输出，LM27551可通过I2C兼容接口为每一个输出编辑一套光暗模式来促成多区照明。

　　为达到提示灯和装饰照明的用途，LED通常都需要配合一个光暗模式。图3中的LM2755可允许设计人员编设出一个梯形调光波形来独立控制每一个输出。下列的算式可计算出图4波形的延迟、上升、下降、高和低的时间。

　　假如使用内部时钟，那T_{STEP}= 50μs×2^{(N+1)}；若使用SYNC引脚上的外部时钟，那T_{STEP}=(1/f_{PWM})×2^{(N+1)}
　　t_{rise/fall Total}=T_{STEP}×(n_{high}-n_{low})×n_{Trise/fall}，当中 0≤n_{Trise/fall}≤255
　　t_{rise or fall Total}=50μs×(n_{high}-n_{low})，当中n_{Trise/fall}=0
　　t_{high or low}=T_{STEP}×(n_{high/low}+1)，当中0≤n_{Thigh/low}≤255
　　t_{delay}=T_{STEP}×n_{delay}，当中 0≤n_{delay}≤255

　　在算式中，变量nTrise、nTfall、nThigh和nTlow的数值介乎0到255间，而nhigh 和 nlow则是从0到31中选出来的数字，当调光波形的生效位设定为"1"时，这些数字便成为亮度级的边界。至于N是一个0到7的数字，存储在时间步长寄存器中。脉冲宽度调制(PWM)信号周期(fPWM)会被设定成50s的预设值。假如使用的是外部时钟，那么这个信号周期便会变为fPWM=fSYNC/32。对于每一个输出来说，定制的波形只需进行一次编程。当所有数值被设定后，I2C兼容接口便会触发照明模式的开始和停止时间。诸如LM2757拥有的定时控制功能，是任何外围照明都不可或缺的理想工具。

　　促成新的显示器技术

　　虽然，白光LED可提供高效率的功率转换，但由于技术限制，能够再改善的空间很有限。因此，采用有机LED(OLED)显示器便可解决设计人员的功耗问题。一般的LCD显示器都是依赖白光LED作背光，但OLED显示器则依赖每一个像素来直接产生光线，使得显示出来的颜色更加亮丽。OLED显示器由于无需使用背光照亮显示器，因此可节省更多的能耗。为达到这个目的，每一个像素都会按需要来进行开或关，而一个电路会负责控制每一行的像素。一个像素可以只包含一个二极管作单色显示，又或是包含三个二极管(红、绿和蓝)作彩色显示。与LCD显示器模块不同，OLED显示器的二极管嵌入在OLED显示器模块里面。在无源矩阵OLED(PMOLED)显示器中，电源用来为整行像素预先充电，而通常所用的电压都高于正常的5V电压，而所需施加的电压大小会视乎每行像素的数量，又或是OLED显示器的尺寸而定。

　　图5中的LM4510 OLED驱动器可以通过一个锂离子电池的输入来提供80mA到280mA的电流，以及5V到18V的电压。这个开关稳压器能够将效能提升至85%，并且无需使用肖特基二极管，这为设计人员提供了一个小巧而高效能的解决方案。