如何實(shí)現便攜式系統設計中最新提出的照明要求

　　手持設備和便攜式設備的照明設計需求在過(guò)去幾年中經(jīng)歷了巨大的變化。就在不久前，典型手機用的還是簡(jiǎn)單的無(wú)源LCD顯示器，很少或者根本就沒(méi)有背光。設計師所面臨的最大挑戰只是在不泄漏系統電池能量的條件下如何高效率地驅動(dòng)一系列并聯(lián)或串聯(lián)的LED。

　　然而隨著(zhù)設計師開(kāi)始使用更高性能的彩色顯示器，并開(kāi)始在便攜式系統中嵌入像照相機之類(lèi)的各種增值功能，對電源的要求有了顯著(zhù)提高。如今，典型的蜂窩手機或手持設備都采用很高分辨率、有四個(gè)或更多LED產(chǎn)生背光的主顯示器。其中許多還采用另外一個(gè)小顯示器，這些顯示器用在翻蓋手機的外面，可以提供額外的信息。通常這些子面板要用另外兩個(gè)LED提供背光。還經(jīng)常要求電源電路來(lái)驅動(dòng)輔助的RGB狀態(tài)燈，并為設備的鍵盤(pán)提供背光。

　　同時(shí)，集成的照相功能為便攜式系統的電源設計帶來(lái)了一套全新的要求。嵌入式照相機需要一個(gè)閃光燈，通常需要在很短的持續時(shí)間內以大功率驅動(dòng)一個(gè)或數個(gè)LED來(lái)實(shí)現。在早期的照相機實(shí)現方案中，采用像素還不到1M的CCD，所需的閃光驅動(dòng)電流也不到100mA。但隨著(zhù)便攜式系統設計師開(kāi)始普遍采用高分辨率的CCD，閃光功能對電源的需求也上升了。如今對許多便攜式設備來(lái)說(shuō)，僅僅是實(shí)現照相的閃光功能并實(shí)現相片的最高分辨率以及紅眼校正功能，就需要高達600mA的電流，對于氙氣閃光燈來(lái)說(shuō)還要更高(見(jiàn)圖：AAT3171的典型應用)。此外，增加其它新的閃光功能或電影模式，將給設計師提出更復雜的電源管理要求和系統設計。

獨立實(shí)現

　　通常，便攜式系統設計師主要采用獨立的實(shí)現方案來(lái)管理照明設備的功率。對于背光應用，設計師通常使用獨立的電荷泵來(lái)驅動(dòng)并聯(lián)的LED、而采用升壓變換器來(lái)驅動(dòng)串連的LED并提供基本的照明功能。彩色顯示器增加了對功率的需求，但在早期的設計中，很少可以使設計師靈活地調節照明強度。目前，像控制照明強度的白平衡和產(chǎn)生狀態(tài)燈的不同色彩的色彩平衡變得越來(lái)越重要，從而要求系統控制器或事務(wù)管理微控制器提供更復雜的控制。早期，絕大多數的設計師都采用噪聲相對較大的模擬PWM控制信號來(lái)控制LED亮度和背光功能。

　　最初，閃光LED功能是作為單獨的部分來(lái)實(shí)現的，只提供簡(jiǎn)單的開(kāi)關(guān)控制。后來(lái)設計師在系統處理器中加入一些基本的算法來(lái)控制閃光子系統。由于很少有哪些系統提供閃光強度控制，因此設計師一般通過(guò)管理照相機快門(mén)來(lái)控制到達CCD的光量。但隨著(zhù)嵌入式照相機性能的改進(jìn)，設計師不得不升級閃光功率管理系統的性能。這些提升的性能要求采用固定的照相快門(mén)和對閃光強度的更好控制。為了減少系統控制器的開(kāi)銷(xiāo)，設計師開(kāi)始采用更具智能的閃光LED控制器。但隨著(zhù)對減小系統尺寸和成本的市場(chǎng)壓力的不斷增強，以及照明功能的數量、種類(lèi)和復雜度的持續增加，便攜式系統設計師開(kāi)始尋求更新的方案來(lái)替代這些獨立的照明子系統。

追求最高集成度

　　最近，一些電源管理半導體生產(chǎn)廠(chǎng)商宣布在上述功能的縱向集成方面取得了重大進(jìn)展。將許多電路集成到一個(gè)單芯片中不僅可以減少元器件數量，而且減輕了對PCB的空間需求，并使系統處理器的開(kāi)銷(xiāo)減到最小，從而幫助便攜式系統設計師降低成本。

　　高集成度允許設計師不再采用專(zhuān)用的白光LED驅動(dòng)器來(lái)驅動(dòng)背光設備，也不再需用專(zhuān)用的照相閃光驅動(dòng)器IC和幾片分離的通用LDO或一片雙LDO IC，而是采用集成度更高的IC，例如AnalogicTech公司的 AAT2842完整顯示解決方案。該方案將上述所有三種功能全部集成在一個(gè)4 x 4mm封裝的單芯片中(見(jiàn)圖：AAT2842方框圖)。這些復雜電路包括一個(gè)大電流的三模電荷泵，四路30mA輸出的白背光LED驅動(dòng)，四路用于閃光LED的輸出驅動(dòng)和兩個(gè)通用目的的200mA LDO。也可以將四路閃光LED輸出結合起來(lái)驅動(dòng)單個(gè)照相機閃光LED，驅動(dòng)電流可以高達600mA，該指標足以滿(mǎn)足目前的高分辨率嵌入式照相機的閃光需求。背光輸出還可以用于較低電流的鍵盤(pán)應用。每個(gè)LDO可以提供200mA的連續負載電流，而壓差僅為200mV。此外，用戶(hù)可以通過(guò)一個(gè)范圍為1.2-5V的電阻分壓器對嵌入在顯示器電源管理器件中的每個(gè)LDO的輸出電壓進(jìn)行編程，從而可以滿(mǎn)足范圍很廣的應用要求。為了簡(jiǎn)化設計，一路控制信號可以控制兩個(gè)LDO輸出。

　　在一個(gè)單芯片上集成多個(gè)功能的風(fēng)險之一是潛在地受限于設計師配置系統的能力。為了使設計具備最大的靈活性，這些器件增加了兩個(gè)獨立的串行口，從而使設計師能夠獨立地驅動(dòng)背光或鍵盤(pán)LED和閃光燈LED。利用這些獨立的接口，設計師可以開(kāi)啟、關(guān)斷或者設置多達16個(gè)不同等級的電流來(lái)控制背光/鍵盤(pán)和閃光功能。此外，設計師可以通過(guò)調整背光或閃光LED使其適合各自的應用需求，從而有助于節省功率。另一方面，還可以通過(guò)外部電阻控制背光/鍵盤(pán)和閃光燈LED。

　　當需要為多個(gè)顯示器提供背光或增加輔助照明功能時(shí)，其他一些高集成度的電源管理IC能夠幫助設計師研發(fā)效率更高或者更加成本有效的解決方案。這些器件將高效率的三模電荷泵與背光LED、照相機閃光和輔助照明所需的各個(gè)驅動(dòng)器集成在一起。這些IC能夠驅動(dòng)多達6個(gè)LED，而不像以前只能驅動(dòng)四個(gè)背光LED。通過(guò)為每個(gè)通道提供單獨的控制，這些新器件使得設計師能夠驅動(dòng)為主顯示器提供背光的LED，以及驅動(dòng)為子面板顯示器提供背光的兩個(gè)LED，或者可以將六個(gè)LED全部用于照明單個(gè)顯示器。

　　在這些新的IC中，有些IC(例如AnalogicTech公司的 AAT2830)可以提供高達600mA的電流來(lái)驅動(dòng)多達四個(gè)閃光LED，并支持日益增加的閃光和電影模式應用方面的普遍需求。此外，這些IC還增加了三個(gè)能夠提供60mA的驅動(dòng)器，分別用于RGB，鍵盤(pán)或其它輔助照明應用。位于這些新器件核心位置的三模式電荷泵能夠為同時(shí)支持背光、閃光和輔助光這三類(lèi)LED功能提供足夠的功率。

　　為了降低系統控制器的開(kāi)銷(xiāo)，許多新型的顯示器電源管理IC還增加了一個(gè)集成式閃光計時(shí)器。傳統上，便攜式系統設計師都利用芯片閃光開(kāi)啟端上從高電平到低電平的瞬變來(lái)控制閃光的持續時(shí)間。如果系統控制軟件出問(wèn)題或控制線(xiàn)斷開(kāi)，采用此架構的設計師將會(huì )冒使閃光LED停留在滿(mǎn)功率狀態(tài)的風(fēng)險。因為閃光LED只能工作很短的時(shí)間，這類(lèi)故障將會(huì )很快燒掉LED并會(huì )很快地耗盡電池功率。

　　而通過(guò)在新一代顯示電源管理IC中最新加入的集成閃光計時(shí)器，不僅減小了系統控制器的開(kāi)銷(xiāo)，還提供了真正的安全功能，不會(huì )出現上述這些類(lèi)型的故障。該計時(shí)器可以在可編程的時(shí)間內逐步減少閃光電流。通過(guò)向器件內的定時(shí)寄存器裝入一個(gè)數據來(lái)設定接通的時(shí)間長(cháng)度，然后為一個(gè)外部定時(shí)電容選擇一個(gè)合適的值。一旦數據被鎖存到定時(shí)寄存器，閃光電流減少功能就自動(dòng)開(kāi)啟，經(jīng)過(guò)所編程的時(shí)間后就會(huì )斷開(kāi)。由于控制器對接通時(shí)間是“即設即忘”的，因此該集成式計時(shí)器不需要控制器跟蹤閃光動(dòng)作過(guò)程。同樣，它還能確保閃光LED按照電容值所限定的預定閃光時(shí)間開(kāi)啟照明。

本文小結

　　便攜式系設計中照明功能的連續升級并沒(méi)有放慢的跡象。隨統著(zhù)設計師為用戶(hù)提供前所未有且范圍更廣的功能，下一代系統無(wú)疑需要增加更新的照明功能。這些革新將不可避免地向設計師提出新的功率管理挑戰。

　　為了解決這些功率管理問(wèn)題，半導體廠(chǎng)商早已在研發(fā)一系列新的器件。這些新器件將電荷泵、升壓變換器、背光、閃光、RGB和LDO功能塊以全新的方式集成在一起。隨著(zhù)這些照明功能的擴展，以及移動(dòng)通信和個(gè)人電子設備體積的不斷變小，新一代縱向集成的系統級器件將在設計師研發(fā)更低成本、更高性能系統的過(guò)程中扮演至關(guān)重要的作用。

作者： Adolfo Garcia,

AnalogicTech公司照明產(chǎn)品部門(mén)產(chǎn)品線(xiàn)總監