手機背光驅(qū)動的原理與應(yīng)用

手機背光驅(qū)動的原理與應(yīng)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(yīng)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(cè)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2~6個不等。本文就以該LED燈的驅(qū)動為對象，介紹手機中背光驅(qū)動的原理與應(yīng)用。背光驅(qū)動

下圖是手機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)光的散射方向

將反射光源均勻擴散,遮蓋網(wǎng)點,防止正面出現(xiàn)散射點

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、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3.0~3.4V。

LED在導(dǎo)通時，其電流的變化率遠大于前向?qū)妷旱淖兓剩訪ED廠家在測試其光學(xué)特性及分類時，大多基于一致的額定電流值（比如5mA或者20mA），再給出前向?qū)妷旱淖兓秶?，因而要獲得預(yù)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(qū)動電流。

背光驅(qū)動2、白光LED驅(qū)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(diào)節(jié)；

4）驅(qū)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(qū)動

以上條件應(yīng)用場合不同，側(cè)重點也不同，有的方案中可能會把背光驅(qū)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(qū)動電路的性能放在第一位。

背光驅(qū)動3、白光驅(qū)動方式

白光LED驅(qū)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(qū)動，所有的LED串聯(lián)接在一起，一般也叫做串聯(lián)型驅(qū)動方式；另一種是采用升壓式電荷泵驅(qū)動電路，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)確定的一個電壓，所有的LED并聯(lián)在一起，一般也叫做并聯(lián)型驅(qū)動方式。

背光驅(qū)動

串聯(lián)型驅(qū)動電路

串聯(lián)型驅(qū)動電路是出現(xiàn)比較早的驅(qū)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(qū)動電路中各白光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。由于各燈采用串聯(lián)連接方式，而每顆燈Vf電壓為3.0~3.4V，所以該方式的驅(qū)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(chǎn)生EMI輻射，可能影響到手機的射頻指標。

背光驅(qū)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(qū)動電路如下圖所示：背光驅(qū)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(nèi)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(yīng)用中EN腳接PWM信號，通過調(diào)節(jié)PWM信號的占空比來調(diào)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(shè)五級，分別為20%、40%、60%、80%、100%。背光驅(qū)動OV管腳為為過壓壓輸入入端，，當(dāng)LED電路出出現(xiàn)斷斷路，，即IC輸出開路時時，F(xiàn)B端的反反饋電電壓恒恒定為為0V，此時時IC就會將將占空空比調(diào)調(diào)整到最最大，，促使使輸出出端電電壓越越來越越高，，直到到IC燒壞。。OV腳連接到輸輸出端端，當(dāng)當(dāng)監(jiān)測測到輸輸出電電壓超超過20V時，該該IC就會關(guān)關(guān)斷，，直到到電源源重新新上電電，從從而起起到輸輸出開開路保保護的的作用用。有的IC沒有OV腳，此此種情情況需需在輸輸出端端加一一個齊齊納二二極管，利利用它它的擊擊穿來來保護護內(nèi)部部的開開關(guān)管管，如如下圖圖：背光驅(qū)驅(qū)動并聯(lián)型型驅(qū)動動電路路雖然串串聯(lián)型型電路路具有有電流流匹配配度高高和效效率高高的優(yōu)優(yōu)點，，但是其整整體的的方案案中需需要一一個功功率電電感和和和一一個大大的肖肖特基基二極管，，這些些使得得其綜綜合成成本和和并聯(lián)聯(lián)型驅(qū)驅(qū)動電電路相相比沒沒有太太大優(yōu)勢。。同同時所所需貼貼片電電感尺尺寸比比較大大，而而且處處理不不好的的話容容易產(chǎn)生生EMI問題，，所以以當(dāng)前前手機機上用用的背背光驅(qū)驅(qū)動電電路以以并聯(lián)聯(lián)型電路路為主主。早期的的并聯(lián)聯(lián)式驅(qū)驅(qū)動電電路只只是解解決了了LED所需要要的電電壓問問題，它它把電電池電電壓統(tǒng)統(tǒng)一通通過電電荷泵泵的方方式升升壓到到5V或者4.5V的這樣樣一個個固定定的電電壓，，然后后每一一個LED通過串串聯(lián)一一定的的電阻阻值值來控控制LED的電流流。下面先先簡要要說明明電荷荷泵的的升壓壓原理理。背光驅(qū)驅(qū)動電荷泵泵升壓壓原理理電荷泵泵即通通常我我們看看到的的chargepump，是DC/DC的一種，屬屬于電電容式式DC/DC，它的的原理理和電電感式式DC/DC不同，，電感式DC/DC是利用用電感感來實實現(xiàn)升升壓，，而電電荷泵泵則是是利用用電容容來實現(xiàn)現(xiàn)升壓壓，前前者的的EMI問題比比后者者嚴重重很多多，電電荷泵泵可以以升壓，，也可可以降降壓，，還可可以輸輸出反反壓。。手機機背光光中用用到的的一般都是是升壓壓，其其升壓壓模式式有1X、1.5X、2X等。1X模式即即輸出電壓壓和輸輸入電電壓相相同，，1.5X模式即即輸出出電壓壓是輸輸入電電壓的的1.5倍，2X模式即輸出電電壓是輸入電電壓的2倍，下面以2X模式為例說明電荷荷泵的升壓原原理。背光驅(qū)動充電放電背光驅(qū)動電荷泵基本原原理框圖VOUT=2*VIN取樣電阻誤差放大器內(nèi)部開關(guān)電荷泵的工作作狀態(tài)可為兩兩部分：充電電和放電1)、充電狀態(tài)時時，開關(guān)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)時時，開關(guān)S2和S3閉合，S1和S4斷開，Vin和Cf串聯(lián)后對負載載供電，同時時給Cout充電。輸出電電壓Vout=Vin+Vcf充放電的頻率率取決于開關(guān)關(guān)的開關(guān)頻率率，開關(guān)的開開關(guān)頻率由其前級的控制制電路決定。。頻率越高，，則對Cf和Cout的容值要求越小。取樣樣電阻取出Vout送入誤差放大大器和Vref進行比較，比較后的的信號經(jīng)放大大后控制Cf的充電時間及及充電電壓，，以達到穩(wěn)定輸輸出電壓的目目的。背光驅(qū)動背光驅(qū)動1.5X模式原理框圖圖如下：電荷泵的效率率：2X模式時，=Vout/2*Vin1.5X模式時，=Vout/1.5*Vin由上式可知，，在輸出電壓壓一定的情況況下，輸入電電壓越小，電荷泵的效率率越高，2X模式下效率如如下：當(dāng)VIN=3.1V，VOUT=5V時，理論效率率可以達到83.3%；當(dāng)VIN=4.2V,VOUT=5V時，理論效率率最高就只有有59.5%。電荷泵內(nèi)部開開關(guān)工作在高高速開關(guān)狀態(tài)態(tài)，所以電荷荷泵也存在EMI問題，可以在在升壓電容處處測到其開關(guān)關(guān)波形，但電電荷泵的噪聲相對于電電感式的DC/DC來說是很小的的。背光驅(qū)動如下圖，是早早期的固定模模式并聯(lián)驅(qū)動動電路，該電電路的缺點很明顯，一是是當(dāng)電池電壓壓較高時，電電路的效率太太低；二二是電流匹配度較差差。背光驅(qū)動為了解決固定定模式并聯(lián)驅(qū)驅(qū)動電路的缺缺點，現(xiàn)在的的并聯(lián)驅(qū)動電路一般采采用自適應(yīng)模模式升壓，并并且增加恒流流源電路。白光LED在工作電流為為20mA時前向壓降一一般為3.0~3.4V，鋰電池滿電電的電壓為4.2V，額定電壓為為3.7V，所以當(dāng)鋰電池充充滿電后，其其電壓足以直直接驅(qū)動白光光LED工作，此時電荷泵電電路不工作，，電池的電壓壓通過一個開開關(guān)直接到Vout然后驅(qū)動LED。而隨著電池池的放電，電電池電壓會逐逐步降低，當(dāng)降低到到一定的程度度不足以直接接驅(qū)動LED時，電荷泵電電路開始工作。。此即所謂集集成1X模式和1.5X模式的自適應(yīng)應(yīng)升壓模式，并且在在盡可能的情情況下，讓電電路工作在1X的直通模式下。此種模式式的電路成為為當(dāng)今背光驅(qū)驅(qū)動的主流模模式。1X和1.5X的轉(zhuǎn)換電壓一一般為3.5V。背光驅(qū)動下圖是某背光光IC的內(nèi)部框圖，，同時帶電荷荷泵和恒流源源兩部分電路，Vout輸出的是正壓壓。背光驅(qū)動下圖為RT9364的應(yīng)用圖，該該IC內(nèi)部也包含了了電荷泵和恒恒流源電路，其電電荷泵輸出的的是負壓。背光驅(qū)動自適應(yīng)模式并并聯(lián)背光解決決了固定模式式并聯(lián)背光的的效率和電流匹配度的問問題，但增加加了額外的電電路。隨著白白光LED制造技術(shù)的提高，，其在20mA工作時的前向向壓降有降低低的趨勢，并并且該電壓的一一致性有所提提高，致使手手機背光中白白光LED的工作電壓問題成成為次要問題題，目前，在在4燈及其以下的的并聯(lián)背光方案中，省掉掉電荷泵部分分電路，白光光LED直接由鋰電池池驅(qū)動的恒流源模式式背光驅(qū)動產(chǎn)產(chǎn)品已經(jīng)出現(xiàn)現(xiàn)，此種背光光驅(qū)動IC內(nèi)部只有恒流源部部分電路，效效率比較高，，但此種IC在電池電壓較較低時（3.4V以下），理論論上會出現(xiàn)白白光LED變暗的問題，，但實際使用過程程中至今還沒沒出現(xiàn)該問題題。背光驅(qū)動下圖為艾為的的AW9364的應(yīng)用原理圖圖，其外圍沒沒有電荷泵的的升壓電容，屬屬恒流源型背背光驅(qū)動IC，每顆燈電流流為20mA時，恒流源的壓降降為40mV。背光驅(qū)動此處壓降為40mV下圖是圣邦微微電子的SGM3127的應(yīng)用原理圖圖，該IC也屬于恒流源型背光光驅(qū)動，其電電路更加精簡簡，IC只有6個引腳，EN腳即當(dāng)使能腳腳用同時也是是IC的電源管腳。。背光驅(qū)動恒流流源源型型背背光光驅(qū)驅(qū)動動雖雖然然性性價價比比比比較較高高，，但但在在手手機機行行業(yè)業(yè)激激烈烈的競競爭爭中中，，其其價價格格還還是是顯顯得得較較高高，，所所以以在在成成本本要要求求很很高高的的方方案中中，，直直接接用用LDO來做做背背光光驅(qū)驅(qū)動動，，目目前前的的LDO輸出出電電流流一一般般都能能達達到到300mA，用用來來做做背背光光驅(qū)驅(qū)動動已已足足夠夠。。該該背背光光驅(qū)驅(qū)動動解解決決方案案的的缺缺點點也也是是顯顯而而易易見見的的：：背背光光不不能能調(diào)調(diào)節(jié)節(jié)，，電電流流匹匹配配度度不不高，，但但以以其其較較低低的的價價格格優(yōu)優(yōu)勢勢，，該該解解決決方方案案也也有有一一定定的的市市場場。。背光光驅(qū)驅(qū)動動背光光LED亮度度調(diào)調(diào)節(jié)節(jié)方方法法目前前手手機機上上常常用用的的背背光光LED亮度度調(diào)調(diào)節(jié)節(jié)方方法法有有兩兩種種，，一一種種是是PWM調(diào)光光，，另另一一種種是是數(shù)數(shù)字字脈脈沖沖調(diào)調(diào)光光。。PWM(PulseWidthModulation)即脈脈沖沖寬寬度度調(diào)調(diào)制制，，該該調(diào)調(diào)光光技術(shù)術(shù)是是一一種種利利用用PWM信號號的的占占空空比比來來調(diào)調(diào)節(jié)節(jié)背背光光亮亮度度的的調(diào)調(diào)光光方方法，，其其信信號號的的頻頻率率和和占占空空比比都都可可以以通通過過軟軟件件進進行行設(shè)設(shè)置置。。一一般般通過過硬硬件件設(shè)設(shè)置置通通過過LED的最最大大電電流流Imax，然然后后通通過過設(shè)設(shè)置置PWM的占占空空比比來來調(diào)調(diào)節(jié)節(jié)實實際際流流過過LED的電電流流，，占占空空比比為為100%時，，流流過LED的實實際際電電流流即即為為Imax，占占空空比比為為50%時，，流流過過LED的實際際電電流流即即為為Imax的50%。一般般使使用用三三角角波波或或鋸鋸齒齒波波做做載載波波，，調(diào)調(diào)制制信信號號可可以以是是正正弦弦信信號也也可可以以是是直直流流信信號號，，在在手手機機背背光光調(diào)調(diào)節(jié)節(jié)中中該該調(diào)調(diào)制制信信號號是是直直流流信號號，，改改變變直直流流信信號號的的電電壓壓，，可可以以改改變變PWM信號號的的脈脈寬寬，，改改變載載波波信信號號的的頻頻率率，，可可以以改改變變PWM信號號的的頻頻率率。。背光光驅(qū)驅(qū)動動數(shù)字字脈脈沖沖調(diào)調(diào)光光是是一一種種利利用用脈脈沖沖個個數(shù)數(shù)的的不不同同來來實實現(xiàn)現(xiàn)背背光光調(diào)調(diào)節(jié)節(jié)的的調(diào)光光方方法法，，此此種種方方法法占占用用一一個個普普通通的的GPIO口，，調(diào)調(diào)光光時時通通過過向向背光光IC的EN端口口發(fā)發(fā)送送相相應(yīng)應(yīng)個個數(shù)數(shù)的的脈脈沖沖來來實實現(xiàn)現(xiàn)相相應(yīng)應(yīng)階階數(shù)數(shù)的的背背光光調(diào)調(diào)節(jié)，，一一般般有有16階可可調(diào)調(diào)，，所所發(fā)發(fā)脈脈沖沖要要滿滿足足IC相應(yīng)應(yīng)的的要要求求。。下圖圖為為某某IC對脈脈沖沖的的相相應(yīng)應(yīng)要要求求，，EN腳是是芯芯片片的的使使能能引引腳腳，，所以以EN腳的的第第一一個個高高脈脈沖沖保保持持時時間間需需要要大大于于20us，以以打打開開該該IC，在在LED電流流大大小小設(shè)設(shè)置置完完成成后后，，EN引腳腳需需保保持持高高電電平平。。同同時當(dāng)當(dāng)?shù)偷兔}脈沖沖保保持持時時間間大大于于2ms時，，該該IC關(guān)閉閉。。背光光驅(qū)驅(qū)動動案例例分分析析案例例一一：：M280-B上出出現(xiàn)現(xiàn)無無規(guī)規(guī)律律死死機機問問題題分析析：：該該項項目目用用的的背背光光IC為AAT3195，其其調(diào)調(diào)光光模模式式是是數(shù)數(shù)字字脈沖沖調(diào)調(diào)光光，，在在使使用用該該方方式式發(fā)發(fā)送送脈脈沖沖調(diào)調(diào)節(jié)節(jié)背背光光時時，，原原則上需要屏蔽蔽中斷，以防防止脈沖發(fā)送送過程中有中中斷到來而打斷脈脈沖發(fā)送，導(dǎo)導(dǎo)致背光調(diào)節(jié)節(jié)失敗。但MTK手機系統(tǒng)屏蔽蔽中斷的時間間有個限制，，不能超過60*12/13us=5