超越轉(zhuǎn)換器的背光效率優(yōu)化設計

　長電池壽命是便攜式電子產(chǎn)品市場的關鍵指標。LCD顯示器的LED背光驅(qū)動器占了總有效系統(tǒng)功耗的25%至40%。在過去，設計師盡量減少背光顯示器功耗的工具僅限于降低LED驅(qū)動電流，同時提高轉(zhuǎn)換器的效率。今天，高達50%的電力節(jié)省是通過采用優(yōu)化的轉(zhuǎn)換器利用LED驅(qū)動器、環(huán)境光傳感器，以及內(nèi)容調(diào)整背光控制（CABC）方法來實現(xiàn)的。這些技術可以在不嚴重降低顯示信息（網(wǎng)站、視頻、圖片等）的視覺質(zhì)量的前提下提高驅(qū)動器的效率。

　　傳統(tǒng)的功率優(yōu)化

　　傳統(tǒng)上圍繞背光驅(qū)動器的主要節(jié)能技術一直是選擇升壓架構。兩種主要類型的升壓拓撲結(jié)構主導著背光驅(qū)動架構：電感式升壓和開關式電容升壓。電感式升壓通常用在串聯(lián)LED驅(qū)動的應用，而開關式電容升壓則通常用于并聯(lián)LED驅(qū)動架構。

　　圖1 LM3535—開關式電容升壓

　　開關式電容升壓依賴于電容器的充電和放電，以創(chuàng)建升壓輸出電壓。開關式電容升壓的增益數(shù)是由飛跨電容（flying capacitor）和內(nèi)部MOSFET開關管的數(shù)量決定的。通過選擇性地對第一相的輸入與地之間組合的串聯(lián)/并聯(lián)電容器的充電，然后重新配置第二相的輸入和輸出之間并聯(lián)/串聯(lián)的電容，轉(zhuǎn)換器就能夠提供一個比輸入電壓更高的輸出電壓。（開關式電容升壓轉(zhuǎn)換器通常限制在一個固定電壓增益（1倍、3/2倍，有時是2倍），以幫助提高解決方案的效率，同時使外部元件數(shù)目減到最少。）此外，用來配置飛跨電容的開關管的大小對于最大限度地提高效率非常關鍵。最大限度地降低增益的輸出阻抗可以使電荷泵在一個相當長時間保持在最低增益，有助于提高解決方案的效率。

　　開關式電容的增益量很有限，電感式升壓轉(zhuǎn)換器具有無限的增益。通過調(diào)節(jié)電感式升壓的開關占空比，可以實現(xiàn)支持負載（LED串）所需的確切升壓增益。這種優(yōu)化有助于防止在固定增益躍遷（gain transition）發(fā)生之后，可能在開關式電容升壓右側(cè)出現(xiàn)的“過度升壓”。

　　為了優(yōu)化電感式升壓轉(zhuǎn)換器，應盡量減小NMOS功率開關管的導通電阻（RDSON）和電感的串聯(lián)電阻。不幸的是，減小這兩個參數(shù)通常會導致物理尺寸的增加（通常具有相同電感值的較大的電感器要比較小的電感器阻抗更高。）提高升壓開關頻率可以通過使用具有較低電感值的電感器來減小電感器的物理尺寸，但提高開關頻率會導致開關功率損耗增加的結(jié)果。選擇具有低正向開啟電壓的肖特基二極管將有助于提高轉(zhuǎn)換效率，而且較低正向電壓的肖特基二極管的尺寸通常大于那些較高電壓的器件。此外，由于器件僅在開關周期很短時間內(nèi)導通，串聯(lián)背光驅(qū)動器相關的高占空比（80%）可以最大限度地減少低Vf二極管的影響。

　　串聯(lián)LED驅(qū)動器實現(xiàn)方法有助于最大限度地減少與電流控制元件（通常是抽電流（current sink））相關的功率損耗。在串聯(lián)轉(zhuǎn)換器條件下，需要一個抽電流控制通過LED串的電流，而并行轉(zhuǎn)換器的系統(tǒng)中每個LED也需要一個抽電流。為了進一步提高效率，灌電流（current source）調(diào)節(jié)電壓應設置在略高于灌電流的余量（或壓差）電壓的水平，以防止由于輸出電容充電/放電循環(huán)引起的輸入電壓和/或輸出電壓紋波驟降導致的LED串的電流變化。

　　圖2 LM3530—電感式升壓

　　環(huán)境光檢測

　　除了電源轉(zhuǎn)換器的優(yōu)化，還可以實現(xiàn)其他節(jié)電功能來創(chuàng)建一個高效的背光系統(tǒng)。許多現(xiàn)代手機采用了一種省電機制，即用環(huán)境光傳感器（ALS）來監(jiān)測環(huán)境照明條件，并相應調(diào)整背光強度（更多環(huán)境光意味著背光必須以較高的電流來驅(qū)動，而在低光照條件下可以減少背光電流）。在明亮的室外環(huán)境中，需要非常高水平的顯示器背光，以便可以看清顯示器。與此相反，在非常黑暗的環(huán)境中，背光可以調(diào)暗，這時仍可提供足夠的光量以保持顯示屏的可讀性。

　　環(huán)境光檢測需要一個光傳感器或光電二極管與檢測電路組合使用。大多數(shù)光傳感器都是基于電流的器件，可提供一個與進入傳感器的光量成正比的輸出電流。這種環(huán)境信息可用來確定環(huán)境條件（室外、辦公室、電影院等），然后用來調(diào)節(jié)背光到預定的亮度水平。

　　圖3 25mA條件下LM3535控制6個LED

　　通過將背光調(diào)整到合適的水平，就可以顯著減少從電池吸收的功率。圖3顯示了一種使用情況，突出了在5個亮度區(qū)使用系統(tǒng)可能實現(xiàn)的電力節(jié)省：陽光、陰天室外、明亮的辦公室、昏暗的房間、夜間/電影院。亮度值分別設置為100%、85%、70%、60%和50%（25mA、21.3mA、17.5mA、15mA和12.5mA）。由于ALS的電壓上升（或通過傳感器增加環(huán)境光），在驅(qū)動器迫使LED電流變化之前，驅(qū)動IC在預定時間內(nèi)對ALS電壓采樣。規(guī)定（或平均）時間內(nèi)的ALS電壓采樣有助于防止在瞬息萬變的照明條件下出現(xiàn)LED閃爍。

　　動態(tài)背光控制或內(nèi)容調(diào)整的背光控制

　　傳統(tǒng)移動手機用戶能夠根據(jù)自己的喜好手動調(diào)整系統(tǒng)的顯示器亮度。有些用戶將所有時間的亮度設置為最大，而另一些用戶將亮度調(diào)整到較低水平，以延長電池壽命。手動調(diào)整方案迫使用戶做出妥協(xié)。LCD顯示驅(qū)動器的最新進展為系統(tǒng)設計師提供了一種基于屏幕上顯示的信息來調(diào)整背光的機制。這個概念被稱為動態(tài)或內(nèi)容調(diào)整背光控制（DBC或CABC）。通過分析顯示器信息，顯示驅(qū)動器可以直接傳達背光驅(qū)動器所需的背光級別。

　　例如，如果我們使用一個電感式升壓LED驅(qū)動器（德州儀器的LM3530）以19mA驅(qū)動一串六個LED的背光3.5英寸屏幕來收看電視節(jié)目（約20分鐘），驅(qū)動器將不斷從電池消耗137mA（假設VBATTERY = 3.6V）電流。使用相同背光驅(qū)動器的DBC，如果將亮度設置為滿度的100%、75%、50%和33%水平，平均電流消耗可下降到78mA。與沒有使用DBC的設計相比，有DBC的背光驅(qū)動器消耗的平均輸入電流將減少45%。

　　此外，由于背光亮度變化帶來的像素的漏光較少，采用DBC有可能實現(xiàn)LCD顯示屏更高級別的對比度。雖然利用DBC節(jié)省電力很有效，但對圖像質(zhì)量也有輕微的副作用。當DBC運行在較低亮度水平時，白屏內(nèi)容看起來不會那么明亮，有時可能會出現(xiàn)輕微的灰色調(diào)。不過，利用所選擇的合適亮度水平，設計師可以優(yōu)化功耗和保持圖像質(zhì)量。

　　圖4 采用LM3530動態(tài)背光控制節(jié)省的功耗

　　總結(jié)

　　總之，傳統(tǒng)的效率改善可以通過選擇背光驅(qū)動器升壓架構來實現(xiàn)，許多新的附加功能可以進一步減少電池消耗。通過使用環(huán)境光傳感器，現(xiàn)代背光驅(qū)動器可以根據(jù)顯示器周圍光線環(huán)境提供合適的背光。此外，通過使用動態(tài)背光控制，顯示驅(qū)動器還可以根據(jù)圖像內(nèi)容自適應調(diào)整背光強度。盡管這兩種新的背光調(diào)節(jié)技術不一定可提高LED驅(qū)動器的效率，但最終卻可以降低輸入功耗，并提高手機的電池使用壽命。在不顯著降低屏幕上顯示的視覺質(zhì)量條件下都可以使用這些方法。