原创超越转换器的背光效率

 2011-12-19 14:57  1290 17 17 分类: MCU/ 嵌入式

作者：Greg Lubarsky 德州仪器应用工程师

长电池寿命是便携式电子产品市场的关键指标。LCD显示器的LED背光驱动器占了总有效系统功耗的25%至40%。在过去，设计师尽量减少背光显示器功耗的工具仅限于降低LED驱动电流，同时提高转换器的效率。今天，高达50%的电力节省是通过采用优化的转换器利用LED驱动器、环境光传感器，以及内容调整背光控制（CABC）方法来实现的。这些技术可以在不严重降低显示信息（网站、视频、图片等）的视觉质量的前提下提高驱动器的效率。

传统的功率优化

传统上围绕背光驱动器的主要节能技术一直是选择升压架构。两种主要类型的升压拓扑结构主导着背光驱动架构：电感式升压和开关式电容升压。电感式升压通常用在串联LED驱动的应用，而开关式电容升压则通常用于并联LED驱动架构。

图1 LM3535—开关式电容升压

开关式电容升压依赖于电容器的充电和放电，以创建升压输出电压。开关式电容升压的增益数是由飞跨电容（flying capacitor）和内部MOSFET开关管的数量决定的。通过选择性地对第一相的输入与地之间组合的串联/并联电容器的充电，然后重新配置第二相的输入和输出之间并联/串联的电容，转换器就能够提供一个比输入电压更高的输出电压。（开关式电容升压转换器通常限制在一个固定电压增益（1倍、3/2倍，有时是2倍），以帮助提高解决方案的效率，同时使外部元件数目减到最少。）此外，用来配置飞跨电容的开关管的大小对于最大限度地提高效率非常关键。最大限度地降低增益的输出阻抗可以使电荷泵在一个相当长时间保持在最低增益，有助于提高解决方案的效率。

开关式电容的增益量很有限，电感式升压转换器具有无限的增益。通过调节电感式升压的开关占空比，可以实现支持负载（LED串）所需的确切升压增益。这种优化有助于防止在固定增益跃迁（gain transition）发生之后，可能在开关式电容升压右侧出现的“过度升压”。

为了优化电感式升压转换器，应尽量减小NMOS功率开关管的导通电阻（RDSON）和电感的串联电阻。不幸的是，减小这两个参数通常会导致物理尺寸的增加（通常具有相同电感值的较大的电感器要比较小的电感器阻抗更高。）提高升压开关频率可以通过使用具有较低电感值的电感器来减小电感器的物理尺寸，但提高开关频率会导致开关功率损耗增加的结果。选择具有低正向开启电压的肖特基二极管将有助于提高转换效率，而且较低正向电压的肖特基二极管的尺寸通常大于那些较高电压的器件。此外，由于器件仅在开关周期很短时间内导通，串联背光驱动器相关的高占空比（80%）可以最大限度地减少低Vf二极管的影响。

串联LED驱动器实现方法有助于最大限度地减少与电流控制元件（通常是抽电流（current sink））相关的功率损耗。在串联转换器条件下，需要一个抽电流控制通过LED串的电流，而并行转换器的系统中每个LED也需要一个抽电流。为了进一步提高效率，灌电流（current source）调节电压应设置在略高于灌电流的余量（或压差）电压的水平，以防止由于输出电容充电/放电循环引起的输入电压和/或输出电压纹波骤降导致的LED串的电流变化。

图2 LM3530—电感式升压

环境光检测

除了电源转换器的优化，还可以实现其他节电功能来创建一个高效的背光系统。许多现代手机采用了一种省电机制，即用环境光传感器（ALS）来监测环境照明条件，并相应调整背光强度（更多环境光意味着背光必须以较高的电流来驱动，而在低光照条件下可以减少背光电流）。在明亮的室外环境中，需要非常高水平的显示器背光，以便可以看清显示器。与此相反，在非常黑暗的环境中，背光可以调暗，这时仍可提供足够的光量以保持显示屏的可读性。

环境光检测需要一个光传感器或光电二极管与检测电路组合使用。大多数光传感器都是基于电流的器件，可提供一个与进入传感器的光量成正比的输出电流。这种环境信息可用来确定环境条件（室外、办公室、电影院等），然后用来调节背光到预定的亮度水平。

图3 25mA条件下LM3535控制6个LED

通过将背光调整到合适的水平，就可以显著减少从电池吸收的功率。图3显示了一种使用情况，突出了在5个亮度区使用系统可能实现的电力节省：阳光、阴天室外、明亮的办公室、昏暗的房间、夜间/电影院。亮度值分别设置为100%、85%、70%、60%和50%(25mA、21.3mA、17.5mA、15mA和12.5mA)。由于ALS的电压上升（或通过传感器增加环境光），在驱动器迫使LED电流变化之前，驱动IC在预定时间内对ALS电压采样。规定（或平均）时间内的ALS电压采样有助于防止在瞬息万变的照明条件下出现LED闪烁。

动态背光控制或内容调整的背光控制

传统移动手机用户能够根据自己的喜好手动调整系统的显示器亮度。有些用户将所有时间的亮度设置为最大，而另一些用户将亮度调整到较低水平，以延长电池寿命。手动调整方案迫使用户做出妥协。LCD显示驱动器的最新进展为系统设计师提供了一种基于屏幕上显示的信息来调整背光的机制。这个概念被称为动态或内容调整背光控制（DBC或CABC）。通过分析显示器信息，显示驱动器可以直接传达背光驱动器所需的背光级别。

例如，如果我们使用一个电感式升压LED驱动器（德州仪器的LM3530）以19mA驱动一串六个LED的背光3.5英寸屏幕来收看电视节目（约20分钟），驱动器将不断从电池消耗137mA（假设VBATTERY = 3.6V）电流。使用相同背光驱动器的DBC，如果将亮度设置为满度的100%、75%、50%和33%水平，平均电流消耗可下降到78mA。与没有使用DBC的设计相比，有DBC的背光驱动器消耗的平均输入电流将减少45%。

此外，由于背光亮度变化带来的像素的漏光较少，采用DBC有可能实现LCD显示屏更高级别的对比度。虽然利用DBC节省电力很有效，但对图像质量也有轻微的副作用。当DBC运行在较低亮度水平时，白屏内容看起来不会那么明亮，有时可能会出现轻微的灰色调。不过，利用所选择的合适亮度水平，设计师可以优化功耗和保持图像质量。

图4 采用LM3530动态背光控制节省的功耗

总结

总之，传统的效率改善可以通过选择背光驱动器升压架构来实现，许多新的附加功能可以进一步减少电池消耗。通过使用环境光传感器，现代背光驱动器可以根据显示器周围光线环境提供合适的背光。此外，通过使用动态背光控制，显示驱动器还可以根据图像内容自适应调整背光强度。尽管这两种新的背光调节技术不一定可提高LED驱动器的效率，但最终却可以降低输入功耗，并提高手机的电池使用寿命。在不显著降低屏幕上显示的视觉质量条件下都可以使用这些方法。