超越轉換器的背光效率優(yōu)化設計

　長(cháng)電池壽命是便攜式電子產(chǎn)品市場(chǎng)的關(guān)鍵指標。LCD顯示器的LED背光驅動(dòng)器占了總有效系統功耗的25%至40%。在過(guò)去，設計師盡量減少背光顯示器功耗的工具僅限于降低LED驅動(dòng)電流，同時(shí)提高轉換器的效率。今天，高達50%的電力節省是通過(guò)采用優(yōu)化的轉換器利用LED驅動(dòng)器、環(huán)境光傳感器，以及內容調整背光控制（CABC）方法來(lái)實(shí)現的。這些技術(shù)可以在不嚴重降低顯示信息（網(wǎng)站、視頻、圖片等）的視覺(jué)質(zhì)量的前提下提高驅動(dòng)器的效率。

　　傳統的功率優(yōu)化

　　傳統上圍繞背光驅動(dòng)器的主要節能技術(shù)一直是選擇升壓架構。兩種主要類(lèi)型的升壓拓撲結構主導著(zhù)背光驅動(dòng)架構：電感式升壓和開(kāi)關(guān)式電容升壓。電感式升壓通常用在串聯(lián)LED驅動(dòng)的應用，而開(kāi)關(guān)式電容升壓則通常用于并聯(lián)LED驅動(dòng)架構。

　　圖1 LM3535—開(kāi)關(guān)式電容升壓

　　開(kāi)關(guān)式電容升壓依賴(lài)于電容器的充電和放電，以創(chuàng )建升壓輸出電壓。開(kāi)關(guān)式電容升壓的增益數是由飛跨電容（flying capacitor）和內部MOSFET開(kāi)關(guān)管的數量決定的。通過(guò)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，轉換器就能夠提供一個(gè)比輸入電壓更高的輸出電壓。（開(kāi)關(guān)式電容升壓轉換器通常限制在一個(gè)固定電壓增益（1倍、3/2倍，有時(shí)是2倍），以幫助提高解決方案的效率，同時(shí)使外部元件數目減到最少。）此外，用來(lái)配置飛跨電容的開(kāi)關(guān)管的大小對于最大限度地提高效率非常關(guān)鍵。最大限度地降低增益的輸出阻抗可以使電荷泵在一個(gè)相當長(cháng)時(shí)間保持在最低增益，有助于提高解決方案的效率。

　　開(kāi)關(guān)式電容的增益量很有限，電感式升壓轉換器具有無(wú)限的增益。通過(guò)調節電感式升壓的開(kāi)關(guān)占空比，可以實(shí)現支持負載（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(kāi)關(guān)式電容升壓右側出現的“過(guò)度升壓”。

　　為了優(yōu)化電感式升壓轉換器，應盡量減小NMOS功率開(kāi)關(guān)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(gè)參數通常會(huì )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(kāi)關(guān)頻率可以通過(guò)使用具有較低電感值的電感器來(lái)減小電感器的物理尺寸，但提高開(kāi)關(guān)頻率會(huì )導致開(kāi)關(guān)功率損耗增加的結果。選擇具有低正向開(kāi)啟電壓的肖特基二極管將有助于提高轉換效率，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(kāi)關(guān)周期很短時(shí)間內導通，串聯(lián)背光驅動(dòng)器相關(guān)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驅動(dòng)器實(shí)現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(guān)的功率損耗。在串聯(lián)轉換器條件下，需要一個(gè)抽電流控制通過(guò)LED串的電流，而并行轉換器的系統中每個(gè)LED也需要一個(gè)抽電流。為了進(jìn)一步提高效率，灌電流（current source）調節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

　　除了電源轉換器的優(yōu)化，還可以實(shí)現其他節電功能來(lái)創(chuàng )建一個(gè)高效的背光系統。許多現代手機采用了一種省電機制，即用環(huán)境光傳感器（ALS）來(lái)監測環(huán)境照明條件，并相應調整背光強度（更多環(huán)境光意味著(zhù)背光必須以較高的電流來(lái)驅動(dòng)，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，背光可以調暗，這時(shí)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(gè)光傳感器或光電二極管與檢測電路組合使用。大多數光傳感器都是基于電流的器件，可提供一個(gè)與進(jìn)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(lái)確定環(huán)境條件（室外、辦公室、電影院等），然后用來(lái)調節背光到預定的亮度水平。

　　圖3 25mA條件下LM3535控制6個(gè)LED

　　通過(guò)將背光調整到合適的水平，就可以顯著(zhù)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(gè)亮度區使用系統可能實(shí)現的電力節?。宏?yáng)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A(yíng)LS的電壓上升（或通過(guò)傳感器增加環(huán)境光），在驅動(dòng)器迫使LED電流變化之前，驅動(dòng)IC在預定時(shí)間內對ALS電壓采樣。規定（或平均）時(shí)間內的ALS電壓采樣有助于防止在瞬息萬(wàn)變的照明條件下出現LED閃爍。

　　動(dòng)態(tài)背光控制或內容調整的背光控制

　　傳統移動(dòng)手機用戶(hù)能夠根據自己的喜好手動(dòng)調整系統的顯示器亮度。有些用戶(hù)將所有時(shí)間的亮度設置為最大，而另一些用戶(hù)將亮度調整到較低水平，以延長(cháng)電池壽命。手動(dòng)調整方案迫使用戶(hù)做出妥協(xié)。LCD顯示驅動(dòng)器的最新進(jìn)展為系統設計師提供了一種基于屏幕上顯示的信息來(lái)調整背光的機制。這個(gè)概念被稱(chēng)為動(dòng)態(tài)或內容調整背光控制（DBC或CABC）。通過(guò)分析顯示器信息，顯示驅動(dòng)器可以直接傳達背光驅動(dòng)器所需的背光級別。

　　例如，如果我們使用一個(gè)電感式升壓LED驅動(dòng)器（德州儀器的LM3530）以19mA驅動(dòng)一串六個(gè)LED的背光3.5英寸屏幕來(lái)收看電視節目（約20分鐘），驅動(dòng)器將不斷從電池消耗137mA（假設VBATTERY = 3.6V）電流。使用相同背光驅動(dòng)器的DBC，如果將亮度設置為滿(mǎn)度的100%、75%、50%和33%水平，平均電流消耗可下降到78mA。與沒(méi)有使用DBC的設計相比，有DBC的背光驅動(dòng)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(lái)的像素的漏光較少，采用DBC有可能實(shí)現LCD顯示屏更高級別的對比度。雖然利用DBC節省電力很有效，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(shí)，白屏內容看起來(lái)不會(huì )那么明亮，有時(shí)可能會(huì )出現輕微的灰色調。不過(guò)，利用所選擇的合適亮度水平，設計師可以?xún)?yōu)化功耗和保持圖像質(zhì)量。

　　圖4 采用LM3530動(dòng)態(tài)背光控制節省的功耗

　　總結

　　總之，傳統的效率改善可以通過(guò)選擇背光驅動(dòng)器升壓架構來(lái)實(shí)現，許多新的附加功能可以進(jìn)一步減少電池消耗。通過(guò)使用環(huán)境光傳感器，現代背光驅動(dòng)器可以根據顯示器周?chē)饩€(xiàn)環(huán)境提供合適的背光。此外，通過(guò)使用動(dòng)態(tài)背光控制，顯示驅動(dòng)器還可以根據圖像內容自適應調整背光強度。盡管這兩種新的背光調節技術(shù)不一定可提高LED驅動(dòng)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(zhù)降低屏幕上顯示的視覺(jué)質(zhì)量條件下都可以使用這些方法。