智能顯示器LED背光驅動(dòng)器案例分析

小型便攜式電子系統一直在不斷向前發(fā)展，諸如移動(dòng)電話(huà)、PMP(個(gè)人媒體播放器)、DSC(數碼相機)、DVC(數字攝像機)、PME(便攜式醫療設備)和GPS(全球定位系統)，功能特性一代比一代豐富。隨之而來(lái)的是一些外圍電路的要求也趨于雷同，因為它們的電源、端口和MMI(人機界面)都使用相似的技術(shù)。

低功耗全功能產(chǎn)品的三種策略

隨著(zhù)便攜式系統的功能增加以及性能的提高，對功耗進(jìn)行管理的需求也日益提高。因此，OEM廠(chǎng)商用來(lái)解決功耗問(wèn)題的策略也在不斷發(fā)展。

第一級策略專(zhuān)注于能量管理子系統的效率，包括盡量減小DC/DC轉換器、LDO、電池管理和電池保護電路上的損耗。

這是一種以電源子系統為中心的方法，很大程度上取決于半導體供應商生產(chǎn)比市場(chǎng)上同類(lèi)架構器件功耗更低的元件和集成器件的能力。這使OEM工程師的主要任務(wù)變成元器件的選擇，在能效、元器件成本和封裝尺寸等因素之間取得平衡。

雖然這種策略一直非常奏效，元器件市場(chǎng)也意識到了這個(gè)益處，但大多數模擬和以模擬為主的混合信號IC廠(chǎng)商并沒(méi)有從工藝尺寸不斷縮減中顯著(zhù)受益。

第二級策略的關(guān)注重點(diǎn)從電源轉移到了系統中的某些部分，甚至大規模ASIC中某些特定時(shí)間不工作的部分。這種策略在應用于無(wú)線(xiàn)鏈路硬件和顯示器背光等大能耗用戶(hù)時(shí)特別有效，而且能通過(guò)關(guān)閉即使功耗并不高的負載(如音頻子系統、I/O端口或非易失性配置存儲器)，來(lái)延長(cháng)每次充電的工作時(shí)間。例如目前生產(chǎn)的移動(dòng)電話(huà)就有20或更多的電源域。

除了節省在像射頻組件和顯示器背光等大功耗電路中的空閑電流引起的功耗外，只要系統可以關(guān)閉某個(gè)時(shí)鐘驅動(dòng)的電路部分，這種策略就能有效降低靜態(tài)功耗。隨著(zhù)IC制造工藝向前所未有的更小尺寸發(fā)展，這種策略可以有效地代替時(shí)鐘選通達到減小空閑電流的目的。

這種功耗降低策略依賴(lài)于系統架構師、軟硬件實(shí)現人員以及ASIC供應商的技術(shù)貢獻。雖然這種策略是成功的，但也受到應用處理器的負載數量限制，這些額外特性將迫使設計師耗用更多功耗更大的計算資源。例如，移動(dòng)手機已經(jīng)從ARM7轉向ARM9和ARM11處理器，將它們作為可選的基帶和輔助處理資源。其它便攜式電子產(chǎn)品也有類(lèi)似的趨勢，雖然程度上有所不及。

第三級策略專(zhuān)注于在不犧牲性能的條件下降低各種功能的用電。一種可行的技術(shù)是利用分布式智能管理，特點(diǎn)是不需要基帶或應用處理器強大的處理能力和速度。

這種策略允許處理器將全部功能轉交給半自動(dòng)的外圍控制器。結果形成這樣的工作模式：處理器可以在以人活動(dòng)而非數據處理或通信任務(wù)期間進(jìn)入睡眠狀態(tài)，不過(guò)，數據處理或通信任務(wù)需要發(fā)揮處理器的全部能力。智能顯示器背光驅動(dòng)器就是很好的一個(gè)例子。

第三級策略下的背光照明方案

便攜式電子產(chǎn)品的用戶(hù)需要在各種環(huán)境光線(xiàn)條件下都有清晰可見(jiàn)的屏幕顯示。目前便攜式產(chǎn)品經(jīng)常使用光敏二極管或光敏晶體管估測環(huán)境光線(xiàn)亮度，并以此作為背光驅動(dòng)器控制的輸入。光敏傳感器需要信號調理電路：以直流偏置、放大和模數轉換或者至少一兩級門(mén)限檢測形式的激勵。

要么通過(guò)外部元件，要么通過(guò)片上模擬I/O引腳，主處理器通常以定期數據轉換的方式監測光敏傳感器的輸出。這種轉換的速度在每秒1到幾次數量級?？刂破麟S后評估轉換結果，通常將結果分成三種等級，分別對應整個(gè)白天、燈光明亮的室內環(huán)境或燈光暗淡的環(huán)境。

處理器是這樣完成控制過(guò)程的：將控制信號發(fā)送給背光驅動(dòng)器，再由驅動(dòng)器向LED串提供三種可能的電流等級中的一種。但這種做法效率不高。實(shí)際上這是微處理器管理的一種方式：在功能強大且運行成本高昂的中心資源監測下，將任務(wù)委派給具有較低運行成本的系統某個(gè)部分。這樣做看起來(lái)似乎無(wú)助于處理器任務(wù)卸載。

一贏(yíng)：智能驅動(dòng)器轉移處理器任務(wù)

基于A(yíng)DP5520智能背光驅動(dòng)器的方案可從LED驅動(dòng)器獲得顯著(zhù)的節能，這種LED驅動(dòng)器可以在微控制器配置控制下工作，或者自動(dòng)管理顯示器照明。ADP5520由一個(gè)非同步升壓轉換器、一個(gè)可編程環(huán)境光線(xiàn)管理電路、一個(gè)狀態(tài)機和一個(gè)可以進(jìn)一步節省系統資源的可配置端口擴展器組成。

升壓轉換器可以給多達6個(gè)串聯(lián)的白光LED供電，串聯(lián)電壓可以高達24.5V，驅動(dòng)電流高達30mA。環(huán)境光線(xiàn)測量部分為環(huán)境光線(xiàn)傳感器提供所有信號調理功能，并與片上的狀態(tài)機和升壓轉換器一起實(shí)現0～30mA共128個(gè)電流等級。

由于有個(gè)處理器只執行與控制曲線(xiàn)相仿的光線(xiàn)控制服務(wù)，在模擬各種移動(dòng)手機使用率的測試中(圖1)，ADP5520可以使每次充電的工作時(shí)間延長(cháng)15%。在A(yíng)DP5520控制方法中增加環(huán)境光線(xiàn)檢測功能，可以使每次充電的待機時(shí)間比基準測量值多50%。這些曲線(xiàn)模擬了不需要射頻功能的手機交互式應用，如游戲、文本和電子郵件消息閱讀和撰寫(xiě)或相機應用。

圖1：智能背光控制器可以通過(guò)卸載處理器任務(wù)實(shí)現節能。增加ALS(環(huán)境光線(xiàn)檢測)可以進(jìn)一步提升節能效果。

設計師希望他們的產(chǎn)品可在不同光線(xiàn)等級之間平滑過(guò)渡，而不只是切換。處理器控制下的光照方案需要大量處理器交互才能實(shí)現平滑過(guò)渡，因此與簡(jiǎn)單的開(kāi)關(guān)控制相比，這種方案大大增加了處理器的負載。智能LED驅動(dòng)器，例如ADP5520，可以實(shí)現多種漸亮漸暗電流變化，包括線(xiàn)性、平方律和立方律，因而可進(jìn)一步減輕處理器負載(圖2)。這種可配置的驅動(dòng)器具有15種不連續并且獨立的漸亮漸暗時(shí)間，范圍從300ms～5.5s。片上有個(gè)可復位的調光定時(shí)器，可編程為從10s～120s共15種時(shí)間間隔中的一種?！　?br />

圖2：智能背光LED驅動(dòng)器(如ADP5520)不用處理器干涉就可以實(shí)現多種漸亮和漸暗曲線(xiàn)。

二贏(yíng)：智能驅動(dòng)器提供額外的低帶寬功能

除了節能外，這種智能驅動(dòng)器可以通過(guò)實(shí)現其它低帶寬外設功能提供更多價(jià)值。例如，ADP5520集成了一個(gè)可配置的端口擴展器，這個(gè)擴展器提供8個(gè)I/O引腳。

也可以將兩個(gè)I/O引腳連接到第三個(gè)專(zhuān)用引腳，作為具有可編程調光、開(kāi)關(guān)和閃爍控制功能的LED指示器用的獨立電流吸收(current sink)引腳。剩下的引腳是可編程的，用于鍵盤(pán)或通常I/O。

這些輔助LED驅動(dòng)器可以消耗0～14mA的電流，并且可以通過(guò)64個(gè)步進(jìn)實(shí)現漸亮或漸暗。與主背光電流消耗一樣，與輔助驅動(dòng)器引腳相連的指示器可以切換開(kāi)關(guān)狀態(tài)，或者通過(guò)線(xiàn)性或非線(xiàn)性序列實(shí)現光線(xiàn)調節。

三贏(yíng)：智能驅動(dòng)器可減少PCB走線(xiàn)數量

為了讓配置數據從處理器流向智能驅動(dòng)器，讓狀態(tài)、I/O或擊鍵數據流回處理器，ADP5520實(shí)現了I2C接口。這種設置可以減少外設和控制器之間的器件和走線(xiàn)的數量，從而簡(jiǎn)化高密度便攜式電子設備中的PCB(印制電路板)設計。

圖3：ADP5520的兩個(gè)I/O引腳可以被編程為L(cháng)ED指示器的電流吸收引腳。與專(zhuān)用LED指示器電流吸收引腳一樣，每個(gè)引腳可以吸收高達14mA的電流，并且可以提供簡(jiǎn)單的開(kāi)關(guān)控制或64個(gè)步進(jìn)的光線(xiàn)調節。

當用樞紐或滑塊(hinge or slider mechanism)將顯示器、指示器和鍵盤(pán)與處理器分割開(kāi)時(shí)，節能效果將更加顯著(zhù)。在這種情況下，帶片上端口擴展器的智能LED驅動(dòng)器可以減少與產(chǎn)品另一半連接的柔性電路的尺寸和成本(圖4)。