手機背光驅動的原理與應用

1、手機背光驅動的原理與應用 顯示屏按其顯示原理大致可分為CRT(顯像管)、LCD(液晶)及OLED三類，從市場應用看，手機中使用的顯示屏主流是LCD，OLED只在翻蓋機的小屏中占有少量份額，而CRT在手機中沒有用到。 LCD本身不會發(fā)光，要想讓其顯示所要數(shù)據(jù)和圖像，就必需使用白光背光源，手機中的白光背光源一般由數(shù)個側發(fā)光白色LED燈組成，LED燈的個數(shù)由屏的大小尺寸決定，一般由26個不等。本文就以該LED燈的驅動為對象，介紹手機中背光驅動的原理與應用。 背光驅動 下圖是手機LCD模組的大概架構，背光LED即在反光膜之上，導光板之下。 背光驅動反射自燈管所入射的光，提高光的利用率支撐導光板和所有膜

2、材，防止變形貼歪 接受光源,引導光的散射方向 將反射光源均勻擴散,遮蓋網點,防止正面出現(xiàn)散射點 提高光的利用率 1、LED的參數(shù)的參數(shù) LED的主要參數(shù)是Vf/If，其他的是顏色、亮度、波長、發(fā)光角度、效率、功耗等。 Vf：前降電壓，LED發(fā)光時自身正負極兩端的壓降。 If：前降電流，一定發(fā)光強度下通過LED的電流，發(fā)光強度和If成正比，相同的If下燈的發(fā)光強度相同。 手機LCD背光用白光LED正常發(fā)光時的If為20mA，Vf一般為3.03.4V 。 LED 在導通時，其電流的變化率遠大于前向導通電壓的變化率，所以LED廠家在測試其光學特性及分類時，大多基于一致的額定電流值（比如5mA 或者2

3、0mA），再給出前向導通電壓的變化范圍，因而要獲得預期的亮度要求，并保證各個LED 亮度、色度的一致性， 需要相同的驅動電流。 背光驅動 2、白光、白光LED驅動電路的基本要求驅動電路的基本要求 1）滿足背光的亮度要求； 2）整個顯示屏亮度均勻（不允許有某一部分較亮、另一 部分較暗的情況）； 3）亮度可以方便地調節(jié) ； 4）驅動電路占PCB空間要??； 5）工作效率高； 6）綜合成本低； 7）對系統(tǒng)其他模塊干擾小 。背光驅動 以上條件應用場合不同，側重點也不同，有的方案中可能會把背光驅動電路的成本放在第一位，而有的方案中則可能會把背光驅動電路的性能放在第一位。 背光驅動3、白光驅動方式、白光驅動

4、方式 白光LED驅動方式主要有兩種：一種是采用電感升壓式DC/DC升壓變換的原理來驅動，所有的LED串聯(lián)接在一起，一般也叫做串聯(lián)型驅動方式；另一種是采用升壓式電荷泵驅動電路，所產生的電壓一般在5V/4.5V或者是根據(jù)LED的正向導通電壓而自適應確定的一個電壓，所有的LED并聯(lián)在一起，一般也叫做并聯(lián)型驅動方式。 背光驅動 串聯(lián)型驅動電路串聯(lián)型驅動電路 串聯(lián)型驅動電路是出現(xiàn)比較早的驅動電路，早期手機的LED背光大都采用此種方式 ，顧名思義，串聯(lián)式驅動電路中各白光LED采用串聯(lián)的方式連接在一起，因此，經過各個燈的電流都是一樣的，從而保證了每顆燈的亮度一樣，發(fā)光亮度均勻是該方式的最大優(yōu)點。由于各燈采用

5、串聯(lián)連接方式，而每顆燈Vf電壓為3.03.4V，所以該方式的驅動電路就需要采用DC/DC升壓電路把電壓升到所需電壓，從而會使該電路產生EMI輻射，可能影響到手機的射頻指標。 背光驅動 以S18-A上用的華潤矽威的PT4101為例，典型的串聯(lián)型背光驅動電路如下圖所示：背光驅動 該IC的FB管腳為反饋輸入端，R1為反饋電阻，LED的最大電流由該反饋電阻控制，IC內部FB管腳上的參考電壓為104mV，反饋電阻的阻值可通過下式算得： R1=104mV/Iled 若Iled=20mA，則R1=104mV/20mA= 5.2ohm，可選5.1ohm 的1%精度的電阻。 實際應用中EN腳接PWM信號，通過調

6、節(jié)PWM信號的占空比來調節(jié)實際流過LED的電流，使LED從不亮到滿亮度之間逐級可變。我們公司一般設五級，分別為20%、40%、60%、80%、100%。背光驅動 OV管腳為過壓輸入端，當LED電路出現(xiàn)斷路，即IC輸出開路時，F(xiàn)B端的反饋電壓恒定為0V，此時IC就會將占空比調整到最大，促使輸出端電壓越來越高，直到IC燒壞。OV腳連接到輸出端，當監(jiān)測到輸出電壓超過20V時，該IC就會關斷 ，直到電源重新上電，從而起到輸出開路保護的作用。 有的IC沒有OV腳，此種情況需在輸出端加一個齊納二極管，利用它的擊穿來保護內部的開關管，如下圖：背光驅動 并聯(lián)型驅動電路并聯(lián)型驅動電路 雖然串聯(lián)型電路具有電流匹配

7、度高和效率高的優(yōu)點，但是其整體的方案中需要一個功率電感和和一個大的肖特基二極管，這些使得其綜合成本和并聯(lián)型驅動電路相比沒有太大優(yōu)勢 。同時所需貼片電感尺寸比較大，而且處理不好的話容易產生EMI問題，所以當前手機上用的背光驅動電路以并聯(lián)型電路為主。 早期的并聯(lián)式驅動電路只是解決了LED所需要的電壓問題，它把電池電壓統(tǒng)一通過電荷泵的方式升壓到5V或者4.5V的這樣一個固定的電壓，然后每一個LED通過串聯(lián)一定的電阻阻值來控制LED的電流。 下面先簡要說明電荷泵的升壓原理。 背光驅動電荷泵升壓原理電荷泵升壓原理 電荷泵即通常我們看到的charge pump，是DC/DC的一種，屬于電容式DC/DC，它

8、的原理和電感式DC/DC不同，電感式DC/DC是利用電感來實現(xiàn)升壓，而電荷泵則是利用電容來實現(xiàn)升壓，前者的EMI問題比后者嚴重很多，電荷泵可以升壓，也可以降壓，還可以輸出反壓。手機背光中用到的一般都是升壓，其升壓模式有1X、1.5X、2X等。1X模式即輸出電壓和輸入電壓相同，1.5X模式即輸出電壓是輸入電壓的1.5倍，2X模式即輸出電壓是輸入電壓的2倍，下面以2X模式為例說明電荷泵的升壓原理。 背光驅動CINCFLYCOUTS1S4S3S2VINVOUT+-+-I充電CINCFLYCOUTS1S4S3S2VINVOUT+-+-I放電背光驅動電荷泵基本原理框圖VOUT=2*VIN取樣電阻誤差放大

9、器內部開關 電荷泵的工作狀態(tài)可為兩部分：充電和放電 1)、充電狀態(tài)時，開關S1和S4閉合，S2和S3斷開，Vin對 Cf充電，Cout對負載供電； 2)、放電狀態(tài)時，開關S2和S3閉合，S1和S4斷開，Vin和 Cf串聯(lián)后對負載供電，同時給Cout充電。輸出電壓 Vout=Vin+Vcf 充放電的頻率取決于開關的開關頻率，開關的開關頻率由其前級的控制電路決定。頻率越高，則對Cf和Cout的容值要求越小。取樣電阻取出Vout送入誤差放大器和Vref進行比較，比較后的信號經放大后控制Cf的充電時間及充電電壓，以達到穩(wěn)定輸出電壓的目的。背光驅動背光驅動 1.5X模式原理框圖如下： S1S2S3S4C

10、FLY1CFLY2CINCOUTCONTROL /OSCILLATORVINVOUTENABLE 電荷泵的效率： 2X模式時， =Vout/2*Vin 1.5X模式時， =Vout/1.5*Vin 由上式可知，在輸出電壓一定的情況下，輸入電壓越小，電荷泵的效率越高，2X模式下效率如下： 當VIN=3.1V，VOUT=5V時，理論效率可以達到83.3%； 當VIN=4.2V,VOUT=5V時，理論效率最高就只有59.5%。 電荷泵內部開關工作在高速開關狀態(tài)，所以電荷泵也存在EMI問題，可以在升壓電容處測到其開關波形，但電荷泵的噪聲相對于電感式的DC/DC來說是很小的。 背光驅動 如下圖，是早期的

11、固定模式并聯(lián)驅動電路，該電路的缺點很明顯，一是當電池電壓較高時，電路的效率太低 ；二是電流匹配度較差。 背光驅動 為了解決固定模式并聯(lián)驅動電路的缺點，現(xiàn)在的并聯(lián)驅動電路一般采用自適應模式升壓，并且增加恒流源電路。 白光LED在工作電流為20mA時前向壓降一般為3.03.4V，鋰電池滿電的電壓為4.2V，額定電壓為3.7V，所以當鋰電池充滿電后，其電壓足以直接驅動白光LED工作，此時電荷泵電路不工作，電池的電壓通過一個開關直接到Vout然后驅動LED。而隨著電池的放電，電池電壓會逐步降低，當降低到一定的程度不足以直接驅動LED時，電荷泵電路開始工作。此即所謂集成1X模式和1.5X模式的自適應升壓

12、模式，并且在盡可能的情況下，讓電路工作在1X的直通模式下。此種模式的電路成為當今背光驅動的主流模式。1X和1.5X的轉換電壓一般為3.5V。 背光驅動 下圖是某背光IC的內部框圖，同時帶電荷泵和恒流源兩部分電路，Vout輸出的是正壓。 背光驅動 下圖為RT9364的應用圖，該IC內部也包含了電荷泵和恒流源電路，其電荷泵輸出的是負壓。 背光驅動 自適應模式并聯(lián)背光解決了固定模式并聯(lián)背光的效率和電流匹配度的問題，但增加了額外的電路。隨著白光LED制造技術的提高，其在20mA工作時的前向壓降有降低的趨勢，并且該電壓的一致性有所提高，致使手機背光中白光LED的工作電壓問題成為次要問題，目前，在4燈及其

13、以下的并聯(lián)背光方案中，省掉電荷泵部分電路，白光LED直接由鋰電池驅動的恒流源模式背光驅動產品已經出現(xiàn)，此種背光驅動IC內部只有恒流源部分電路，效率比較高，但此種IC在電池電壓較低時（3.4V以下），理論上會出現(xiàn)白光LED變暗的問題，但實際使用過程中至今還沒出現(xiàn)該問題。 背光驅動 下圖為艾為的AW9364的應用原理圖，其外圍沒有電荷泵的升壓電容，屬恒流源型背光驅動IC，每顆燈電流為20mA時，恒流源的壓降為40mV。 背光驅動此處壓降為40mV 下圖是圣邦微電子的SGM3127的應用原理圖，該IC也屬于恒流源型背光驅動，其電路更加精簡，IC只有6個引腳，EN腳即當使能腳用同時也是IC的電源管腳。

14、 背光驅動 恒流源型背光驅動雖然性價比比較高，但在手機行業(yè)激烈的競爭中，其價格還是顯得較高，所以在成本要求很高的方案中，直接用LDO來做背光驅動，目前的LDO輸出電流一般都能達到300mA，用來做背光驅動已足夠。該背光驅動解決方案的缺點也是顯而易見的：背光不能調節(jié)，電流匹配度不高，但以其較低的價格優(yōu)勢，該解決方案也有一定的市場。背光驅動背光背光LED亮度調節(jié)方法亮度調節(jié)方法 目前手機上常用的背光LED亮度調節(jié)方法有兩種，一種是PWM調光，另一種是數(shù)字脈沖調光。 PWM(Pulse Width Modulation) 即脈沖寬度調制，該調光技術是一種利用PWM信號的占空比來調節(jié)背光亮度的調光方法

15、，其信號的頻率和占空比都可以通過軟件進行設置。一般通過硬件設置通過LED的最大電流Imax，然后通過設置PWM的占空比來調節(jié)實際流過LED的電流，占空比為100%時，流過LED的實際電流即為Imax，占空比為50%時，流過LED的實際電流即為Imax的50%。 一般使用三角波或鋸齒波做載波，調制信號可以是正弦信號也可以是直流信號，在手機背光調節(jié)中該調制信號是直流信號，改變直流信號的電壓，可以改變PWM信號的脈寬，改變載波信號的頻率，可以改變PWM信號的頻率。 背光驅動 數(shù)字脈沖調光是一種利用脈沖個數(shù)的不同來實現(xiàn)背光調節(jié)的調光方法，此種方法占用一個普通的GPIO口，調光時通過向背光IC的EN端口

16、發(fā)送相應個數(shù)的脈沖來實現(xiàn)相應階數(shù)的背光調節(jié)，一般有16階可調，所發(fā)脈沖要滿足IC相應的要求。 下圖為某IC對脈沖的相應要求，EN腳是芯片的使能引腳，所以EN腳的第一個高脈沖保持時間需要大于20us，以打開該IC，在LED電流大小設置完成后，EN 引腳需保持高電平。同時當?shù)兔}沖保持時間大于2ms時，該IC關閉。背光驅動案例分析案例分析 案例一：M280-B上出現(xiàn)無規(guī)律死機問題 分析：該項目用的背光IC為AAT3195，其調光模式是數(shù)字 脈沖調光，在使用該方式發(fā)送脈沖調節(jié)背光時，原 則上需要屏蔽中斷，以防止脈沖發(fā)送過程中有中斷 到來而打斷脈沖發(fā)送，導致背光調節(jié)失敗。但MTK 手機系統(tǒng)屏蔽中斷的時間

17、有個限制，不能超過 60*12/13us=55.4us，具體的軟件有個檢測工具可 以判斷是否有超過這個時間。如果超過這個時間， 系統(tǒng)就會出現(xiàn)死機等故障，M280-B的死機問題就是 屏蔽中斷的時間超過了這個值而引起的。 背光驅動案例二：F282上背光等級調節(jié)錯亂，出現(xiàn)高等級背光比低等 級暗的現(xiàn)象。分析：F282上用的背光IC也是數(shù)字脈沖調光方式。該方式在 調節(jié)背光等級的時候，首先要把背光關掉，然后再發(fā) 送所要調節(jié)等級的對應脈沖。而F282的軟件在關背光 時所發(fā)送的低電平時間不合背光IC的要求，導致背光 沒有關掉就開始發(fā)送下一個等級的脈沖，所以出現(xiàn)了 背光等級調節(jié)錯亂的問題。 背光驅動案例三：M524 V1.7的機子背