手機(jī)背光驅(qū)動(dòng)原理和科學(xué)應(yīng)用

1、 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(chǎng)應(yīng)用看， 中使用的顯示屏主流是LCD，OLED只在翻蓋機(jī)的小屏中占有少量份額，而CRT在 中沒(méi)有用到。 LCD本身不會(huì)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， 中的白光背光源一般由數(shù)個(gè)側(cè)發(fā)光白色LED燈組成，LED燈的個(gè)數(shù)由屏的大小尺寸決定，一般由26個(gè)不等。本文就以該LED燈的驅(qū)動(dòng)為對(duì)象，介紹 中背光驅(qū)動(dòng)的原理與應(yīng)用。 背光驅(qū)動(dòng) 以下圖是 LCD模組的大概架構(gòu)，背光LED即在反光膜之上，導(dǎo)光板之下。 背光驅(qū)動(dòng)反射自燈管所入射的光，提高光的利用率支撐導(dǎo)光板和所有膜材，防止變形貼歪 接受光源,引導(dǎo)

2、光的散射方向 將反射光源均勻擴(kuò)散,遮蓋網(wǎng)點(diǎn),防止正面出現(xiàn)散射點(diǎn) 提高光的利用率 1、LED的參數(shù) LED的主要參數(shù)是Vf/If，其他的是顏色、亮度、波長(zhǎng)、發(fā)光角度、效率、功耗等。 Vf：前降電壓，LED發(fā)光時(shí)自身正負(fù)極兩端的壓降。 If：前降電流，一定發(fā)光強(qiáng)度下通過(guò)LED的電流，發(fā)光強(qiáng)度和If成正比，相同的If下燈的發(fā)光強(qiáng)度相同。 LCD背光用白光LED正常發(fā)光時(shí)的If為20mA，Vf一般為3.03.4V 。 LED 在導(dǎo)通時(shí)，其電流的變化率遠(yuǎn)大于前向?qū)妷旱淖兓?，所以LED廠家在測(cè)試其光學(xué)特性及分類時(shí)，大多基于一致的額定電流值比方5mA 或者20mA，再給出前向?qū)妷旱淖兓秶蚨?/p>

3、獲得預(yù)期的亮度要求，并保證各個(gè)LED 亮度、色度的一致性， 需要相同的驅(qū)動(dòng)電流。 背光驅(qū)動(dòng) 2、白光LED驅(qū)動(dòng)電路的根本要求 1滿足背光的亮度要求； 2整個(gè)顯示屏亮度均勻不允許有某一局部較亮、另一 局部較暗的情況； 3亮度可以方便地調(diào)節(jié) ； 4驅(qū)動(dòng)電路占PCB空間要??； 5工作效率高； 6綜合本錢(qián)低； 7對(duì)系統(tǒng)其他模塊干擾小 。背光驅(qū)動(dòng) 以上條件應(yīng)用場(chǎng)合不同，側(cè)重點(diǎn)也不同，有的方案中可能會(huì)把背光驅(qū)動(dòng)電路的本錢(qián)放在第一位，而有的方案中那么可能會(huì)把背光驅(qū)動(dòng)電路的性能放在第一位。 背光驅(qū)動(dòng)3、白光驅(qū)動(dòng)方式 白光LED驅(qū)動(dòng)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(lái)驅(qū)動(dòng)，所有的LED

4、串聯(lián)接在一起，一般也叫做串聯(lián)型驅(qū)動(dòng)方式；另一種是采用升壓式電荷泵驅(qū)動(dòng)電路，所產(chǎn)生的電壓一般在5V/4.5V或者是根據(jù)LED的正向?qū)妷憾赃m應(yīng)確定的一個(gè)電壓，所有的LED并聯(lián)在一起，一般也叫做并聯(lián)型驅(qū)動(dòng)方式。 背光驅(qū)動(dòng) 串聯(lián)型驅(qū)動(dòng)電路 串聯(lián)型驅(qū)動(dòng)電路是出現(xiàn)比較早的驅(qū)動(dòng)電路，早期 的LED背光大都采用此種方式 ，顧名思義，串聯(lián)式驅(qū)動(dòng)電路中各白光LED采用串聯(lián)的方式連接在一起，因此，經(jīng)過(guò)各個(gè)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(diǎn)。由于各燈采用串聯(lián)連接方式，而每顆燈Vf電壓為3.03.4V，所以該方式的驅(qū)動(dòng)電路就需要采用DC/DC升壓電路把電壓升到所需電壓，

5、從而會(huì)使該電路產(chǎn)生EMI輻射，可能影響到 的射頻指標(biāo)。 背光驅(qū)動(dòng) 以S18-A上用的華潤(rùn)矽威的PT4101為例，典型的串聯(lián)型背光驅(qū)動(dòng)電路如以下圖所示：背光驅(qū)動(dòng) 該IC的FB管腳為反響輸入端，R1為反響電阻，LED的最大電流由該反響電阻控制，IC內(nèi)部FB管腳上的參考電壓為104mV，反響電阻的阻值可通過(guò)下式算得： R1=104mV/Iled 假設(shè)Iled=20mA，那么R1=104mV/20mA= 5.2ohm，可選5.1ohm 的1%精度的電阻。 實(shí)際應(yīng)用中EN腳接PWM信號(hào)，通過(guò)調(diào)節(jié)PWM信號(hào)的占空比來(lái)調(diào)節(jié)實(shí)際流過(guò)LED的電流，使LED從不亮到滿亮度之間逐級(jí)可變。我們公司一般設(shè)五級(jí)，分別為2

6、0%、40%、60%、80%、100%。背光驅(qū)動(dòng) OV管腳為過(guò)壓輸入端，當(dāng)LED電路出現(xiàn)斷路，即IC輸出開(kāi)路時(shí)，F(xiàn)B端的反響電壓恒定為0V，此時(shí)IC就會(huì)將占空比調(diào)整到最大，促使輸出端電壓越來(lái)越高，直到IC燒壞。OV腳連接到輸出端，當(dāng)監(jiān)測(cè)到輸出電壓超過(guò)20V時(shí)，該IC就會(huì)關(guān)斷 ，直到電源重新上電，從而起到輸出開(kāi)路保護(hù)的作用。 有的IC沒(méi)有OV腳，此種情況需在輸出端加一個(gè)齊納二極管，利用它的擊穿來(lái)保護(hù)內(nèi)部的開(kāi)關(guān)管，如以下圖：背光驅(qū)動(dòng) 并聯(lián)型驅(qū)動(dòng)電路 雖然串聯(lián)型電路具有電流匹配度高和效率高的優(yōu)點(diǎn)，但是其整體的方案中需要一個(gè)功率電感和和一個(gè)大的肖特基二極管，這些使得其綜合本錢(qián)和并聯(lián)型驅(qū)動(dòng)電路相比沒(méi)有太

7、大優(yōu)勢(shì) 。同時(shí)所需貼片電感尺寸比較大，而且處理不好的話容易產(chǎn)生EMI問(wèn)題，所以當(dāng)前 上用的背光驅(qū)動(dòng)電路以并聯(lián)型電路為主。 早期的并聯(lián)式驅(qū)動(dòng)電路只是解決了LED所需要的電壓?jiǎn)栴}，它把電池電壓統(tǒng)一通過(guò)電荷泵的方式升壓到5V或者4.5V的這樣一個(gè)固定的電壓，然后每一個(gè)LED通過(guò)串聯(lián)一定的電阻阻值來(lái)控制LED的電流。 下面先簡(jiǎn)要說(shuō)明電荷泵的升壓原理。 背光驅(qū)動(dòng)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，它的原理和電感式DC/DC不同，電感式DC/DC是利用電感來(lái)實(shí)現(xiàn)升壓，而電荷泵那么是利用電容來(lái)實(shí)現(xiàn)升壓，前者的EMI問(wèn)題比后者嚴(yán)重很多，電荷泵

8、可以升壓，也可以降壓，還可以輸出反壓。 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(shuō)明電荷泵的升壓原理。 背光驅(qū)動(dòng)充電放電背光驅(qū)動(dòng)電荷泵根本原理框圖VOUT=2*VIN取樣電阻誤差放大器內(nèi)部開(kāi)關(guān) 電荷泵的工作狀態(tài)可為兩局部：充電和放電 1)、充電狀態(tài)時(shí)，開(kāi)關(guān)S1和S4閉合，S2和S3斷開(kāi)，Vin對(duì) Cf充電，Cout對(duì)負(fù)載供電； 2)、放電狀態(tài)時(shí)，開(kāi)關(guān)S2和S3閉合，S1和S4斷開(kāi)，Vin和 Cf串聯(lián)后對(duì)負(fù)載供電，同時(shí)給Cout充電。輸出電壓

9、Vout=Vin+Vcf 充放電的頻率取決于開(kāi)關(guān)的開(kāi)關(guān)頻率，開(kāi)關(guān)的開(kāi)關(guān)頻率由其前級(jí)的控制電路決定。頻率越高，那么對(duì)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(jìn)行比較，比較后的信號(hào)經(jīng)放大后控制Cf的充電時(shí)間及充電電壓，以到達(dá)穩(wěn)定輸出電壓的目的。背光驅(qū)動(dòng)背光驅(qū)動(dòng) 1.5X模式原理框圖如下： 電荷泵的效率： 2X模式時(shí)， =Vout/2*Vin 1.5X模式時(shí)， =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(dāng)VIN=3.1V，VOUT=5V時(shí)，理論效率可以到達(dá)83.3%； 當(dāng)VIN=4.2V,V

10、OUT=5V時(shí)，理論效率最高就只有59.5%。 電荷泵內(nèi)部開(kāi)關(guān)工作在高速開(kāi)關(guān)狀態(tài)，所以電荷泵也存在EMI問(wèn)題，可以在升壓電容處測(cè)到其開(kāi)關(guān)波形，但電荷泵的噪聲相對(duì)于電感式的DC/DC來(lái)說(shuō)是很小的。 背光驅(qū)動(dòng) 如以下圖，是早期的固定模式并聯(lián)驅(qū)動(dòng)電路，該電路的缺點(diǎn)很明顯，一是當(dāng)電池電壓較高時(shí)，電路的效率太低 ；二是電流匹配度較差。 背光驅(qū)動(dòng) 為了解決固定模式并聯(lián)驅(qū)動(dòng)電路的缺點(diǎn)，現(xiàn)在的并聯(lián)驅(qū)動(dòng)電路一般采用自適應(yīng)模式升壓，并且增加恒流源電路。 白光LED在工作電流為20mA時(shí)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(dāng)鋰電池充滿電后，其電壓足以直接驅(qū)動(dòng)白光LED工

11、作，此時(shí)電荷泵電路不工作，電池的電壓通過(guò)一個(gè)開(kāi)關(guān)直接到Vout然后驅(qū)動(dòng)LED。而隨著電池的放電，電池電壓會(huì)逐步降低，當(dāng)降低到一定的程度缺乏以直接驅(qū)動(dòng)LED時(shí)，電荷泵電路開(kāi)始工作。此即所謂集成1X模式和1.5X模式的自適應(yīng)升壓模式，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(dāng)今背光驅(qū)動(dòng)的主流模式。1X和1.5X的轉(zhuǎn)換電壓一般為3.5V。 背光驅(qū)動(dòng) 以下圖是某背光IC的內(nèi)部框圖，同時(shí)帶電荷泵和恒流源兩部分電路，Vout輸出的是正壓。 背光驅(qū)動(dòng) 以下圖為RT9364的應(yīng)用圖，該IC內(nèi)部也包含了電荷泵和恒流源電路，其電荷泵輸出的是負(fù)壓。 背光驅(qū)動(dòng) 自適應(yīng)模式并聯(lián)背光解決了固

12、定模式并聯(lián)背光的效率和電流匹配度的問(wèn)題，但增加了額外的電路。隨著白光LED制造技術(shù)的提高，其在20mA工作時(shí)的前向壓降有降低的趨勢(shì)，并且該電壓的一致性有所提高，致使 背光中白光LED的工作電壓?jiǎn)栴}成為次要問(wèn)題，目前，在4燈及其以下的并聯(lián)背光方案中，省掉電荷泵局部電路，白光LED直接由鋰電池驅(qū)動(dòng)的恒流源模式背光驅(qū)動(dòng)產(chǎn)品已經(jīng)出現(xiàn)，此種背光驅(qū)動(dòng)IC內(nèi)部只有恒流源局部電路，效率比較高，但此種IC在電池電壓較低時(shí)3.4V以下，理論上會(huì)出現(xiàn)白光LED變暗的問(wèn)題，但實(shí)際使用過(guò)程中至今還沒(méi)出現(xiàn)該問(wèn)題。 背光驅(qū)動(dòng) 以下圖為艾為的AW9364的應(yīng)用原理圖，其外圍沒(méi)有電荷泵的升壓電容，屬恒流源型背光驅(qū)動(dòng)IC，每顆燈

13、電流為20mA時(shí)，恒流源的壓降為40mV。 背光驅(qū)動(dòng)此處壓降為40mV 以下圖是圣邦微電子的SGM3127的應(yīng)用原理圖，該IC也屬于恒流源型背光驅(qū)動(dòng)，其電路更加精簡(jiǎn)，IC只有6個(gè)引腳，EN腳即當(dāng)使能腳用同時(shí)也是IC的電源管腳。 背光驅(qū)動(dòng) 恒流源型背光驅(qū)動(dòng)雖然性價(jià)比比較高，但在 行業(yè)劇烈的競(jìng)爭(zhēng)中，其價(jià)格還是顯得較高，所以在本錢(qián)要求很高的方案中，直接用LDO來(lái)做背光驅(qū)動(dòng)，目前的LDO輸出電流一般都能到達(dá)300mA，用來(lái)做背光驅(qū)動(dòng)已足夠。該背光驅(qū)動(dòng)解決方案的缺點(diǎn)也是顯而易見(jiàn)的：背光不能調(diào)節(jié)，電流匹配度不高，但以其較低的價(jià)格優(yōu)勢(shì)，該解決方案也有一定的市場(chǎng)。背光驅(qū)動(dòng)背光LED亮度調(diào)節(jié)方法 目前 上常用的

14、背光LED亮度調(diào)節(jié)方法有兩種，一種是PWM調(diào)光，另一種是數(shù)字脈沖調(diào)光。 PWM(Pulse Width Modulation) 即脈沖寬度調(diào)制，該調(diào)光技術(shù)是一種利用PWM信號(hào)的占空比來(lái)調(diào)節(jié)背光亮度的調(diào)光方法，其信號(hào)的頻率和占空比都可以通過(guò)軟件進(jìn)行設(shè)置。一般通過(guò)硬件設(shè)置通過(guò)LED的最大電流Imax，然后通過(guò)設(shè)置PWM的占空比來(lái)調(diào)節(jié)實(shí)際流過(guò)LED的電流，占空比為100%時(shí)，流過(guò)LED的實(shí)際電流即為Imax，占空比為50%時(shí)，流過(guò)LED的實(shí)際電流即為Imax的50%。 一般使用三角波或鋸齒波做載波，調(diào)制信號(hào)可以是正弦信號(hào)也可以是直流信號(hào)，在 背光調(diào)節(jié)中該調(diào)制信號(hào)是直流信號(hào)，改變直流信號(hào)的電壓，可以改

15、變PWM信號(hào)的脈寬，改變載波信號(hào)的頻率，可以改變PWM信號(hào)的頻率。 背光驅(qū)動(dòng) 數(shù)字脈沖調(diào)光是一種利用脈沖個(gè)數(shù)的不同來(lái)實(shí)現(xiàn)背光調(diào)節(jié)的調(diào)光方法，此種方法占用一個(gè)普通的GPIO口，調(diào)光時(shí)通過(guò)向背光IC的EN端口發(fā)送相應(yīng)個(gè)數(shù)的脈沖來(lái)實(shí)現(xiàn)相應(yīng)階數(shù)的背光調(diào)節(jié)，一般有16階可調(diào)，所發(fā)脈沖要滿足IC相應(yīng)的要求。 以下圖為某IC對(duì)脈沖的相應(yīng)要求，EN腳是芯片的使能引腳，所以EN腳的第一個(gè)高脈沖保持時(shí)間需要大于20us，以翻開(kāi)該IC，在LED電流大小設(shè)置完成后，EN 引腳需保持高電平。同時(shí)當(dāng)?shù)兔}沖保持時(shí)間大于2ms時(shí)，該IC關(guān)閉。背光驅(qū)動(dòng)案例分析 案例一：M280-B上出現(xiàn)無(wú)規(guī)律死機(jī)問(wèn)題 分析：該工程用的背光IC

16、為AAT3195，其調(diào)光模式是數(shù)字 脈沖調(diào)光，在使用該方式發(fā)送脈沖調(diào)節(jié)背光時(shí)，原 那么上需要屏蔽中斷，以防止脈沖發(fā)送過(guò)程中有中斷 到來(lái)而打斷脈沖發(fā)送，導(dǎo)致背光調(diào)節(jié)失敗。但MTK 系統(tǒng)屏蔽中斷的時(shí)間有個(gè)限制，不能超過(guò) 60*12/13us=55.4us，具體的軟件有個(gè)檢測(cè)工具可 以判斷是否有超過(guò)這個(gè)時(shí)間。如果超過(guò)這個(gè)時(shí)間， 系統(tǒng)就會(huì)出現(xiàn)死機(jī)等故障，M280-B的死機(jī)問(wèn)題就是 屏蔽中斷的時(shí)間超過(guò)了這個(gè)值而引起的。 背光驅(qū)動(dòng)案例二：F282上背光等級(jí)調(diào)節(jié)錯(cuò)亂，出現(xiàn)高等級(jí)背光比低等 級(jí)暗的現(xiàn)象。分析：F282上用的背光IC也是數(shù)字脈沖調(diào)光方式。該方式在 調(diào)節(jié)背光等級(jí)的時(shí)候，首先要把背光關(guān)掉，然后再發(fā) 送所要調(diào)節(jié)等級(jí)的對(duì)應(yīng)脈沖。而F282的軟件在關(guān)背光 時(shí)所發(fā)送的低電平時(shí)間不合背光IC的要求，導(dǎo)致背光 沒(méi)有關(guān)掉就開(kāi)始發(fā)送下一個(gè)等級(jí)的脈沖，所以出現(xiàn)了 背光等級(jí)調(diào)節(jié)錯(cuò)亂的問(wèn)題。 背光驅(qū)動(dòng)案例三：M524 V1.7的機(jī)子背光不能調(diào)節(jié)