便携设备显示器的背光照明能源消耗解决方案

现今的便携设备不单功能越来越多，而且对功率的需求也越来越大，这对便携电池的电源设计构成很大的挑战。然而，如果对有关应用的能源消耗有更深入的认识，便可设计出更加节能的解决方案，这不单可以延长电池的寿命，而且可以提供更好的用户体验 。

减少便携设备显示器的用电量

随着便携设备的显示器尺寸越来越大，分辨率和亮度不断提高，显示器的背光照明成为能源的最大挑战。一台典型的小型显示器模块需要3到10个LED才能提供正常的照明。

为了解决背光显示器的能耗问题，一个高效能驱动LED的方法即使用开关电容器。采用这种技术，输入电压便可连接到能够产生稳定输出的多增益开关电容器。在开环运作下，输出电压的大小相当于增益与输入电压的乘积。至于闭环运作则可形成一个固定的输出，而该输出的电压应仅大于LED的正向电压和所有的压降。输出电压与正向电压之间的差别便是净空，而它必须受到监管以确保电流流通。在最宽输入电压范围内的最大有效增益中，电容器在增益瞬态时只会消耗最小电能，而且它会根据LED的正向电压和负载要求而不断作出调节。双增益升压模式（LM2755为1x、LM2756为3/2x，而LM2757为2x和3/2x）可以在一个宽输入电压范围内产生超高效率，使电池的寿命得以延长。

现今的消费者倾向追求体积更纤小的便携设备，这使得电路板空间变得更加珍贵。开关电容器拓扑的另一个优点是无需使用电感器，这不仅有助于缩小方案的尺寸，还可节省材料成本。LM2755、LM2756和LM2757是开关电容器升压技术的一些例子，它们能够驱动多至10个LED （每个可驱动高达30mA的二极管电流）。这种较小的解决方案可使驱动器放置在局部而不是中心区域，从而降低了电磁的干扰。

白光LED的可编程性对于控制显示器的照明来说至关重要。例如，当一个用户正在使用移动电话通话时，他们不会与显示器产生任何的互动，因此该显示器应该选择调暗。LM2755和LM2756均包含I2C兼容接口，能够根据手机的工作情况来控制显示器的亮度。

图1所示为一个32级调光指数的设置，它具备800:1的调光比率，能够进行真正可用肉眼觉察到的线性亮度级控制，其调光模式可以提供一个流畅的显示器开/关过渡。我们的眼睛其实可以看成一个对数式的感光器，因为它是以相同的比率而非相同的增量来对光作出反应。所谓线性的亮度增加其实就是现实中可感受到的调光指数。通过将背光调暗或关闭，设计人员便可获得更大的灵活性，并可延长电池的寿命。

图2是LM2756的一个典型的应用电路。其中，LM2756驱动八个LED，它们被分成三组独立控制，以用作不同的显示用途。以下的算式给出LED的电流水平：

I_{DxA/B/C}（A）=189x（V_{ISET}/R_{SET}）

配合一个正确选择的电阻器（RSET）并把它放置在ISET和接地之间，则所需的电流便可通过LED连接到DxA和DxB，算式当中的x代表某LED的电流阱（current sink），而A、B和C则分别代表某一组的LED。

一旦电流水平被设定，模拟电流调节便可通过I2C兼容接口来内部调节LED的光暗。图1中32个指数式的模拟亮度级可被配置供A组的LED使用，与此同时，B组和C组的LED则可处理8个线性的模拟亮度级。

配合可独立控制多组LED的能力，单一LED驱动器便可用来同时控制主显示器、辅显示器或键盘的LED和LED指示灯。LM2756之所以集成这些功能，是因为并入了八个电流阱并把它们分成三组。其中四个电流阱分到A组，而B组和C组则分别有一个电流阱。通过运用一个寄存器，两个余下的电流阱（D53和D62）可以供给A组或B组使用。这种设置使主显示器能有4、5或6个LED可以使用，而余下的LED则可用作其他的照明功能。

外围照明

个人移动设备除了主显示器以外，还有很多地方需要更出色的照明。因此，用作其他照明用途的辅助LED便会消耗更多的电池电量。键盘背光灯是目前手持应用的一项重要功能，它不需要像主显示背光驱动器般要求太多的LED电流匹配。LM2757可为键盘后的LED照明提供细小的开关电容器、电压源和升压解决方案，而且效率可达90%。LED提示灯可通知用户电池的电量不足、电池的充电状态或有短信送达。此外，这些LED也可用作其他有趣的照明用途。配合三个独立的RGB LED输出，LM27551可通过I2C兼容接口为每一个输出编辑一套光暗模式来促成多区照明。

为达到提示灯和装饰照明的用途，LED通常都需要配合一个光暗模式。图3中的LM2755可允许设计人员编设出一个梯形调光波形来独立控制每一个输出。下列的算式可计算出图4波形的延迟、上升、下降、高和低的时间。

假如使用内部时钟，那T_{STEP}= 50μs×2^{（N+1）}；若使用SYNC引脚上的外部时钟，那T_{STEP}=（1/f_{PWM}）×2^{（N+1）}

t_{rise/fall Total}=T_{STEP}×（n_{high}-n_{low}）×n_{Trise/fall}，当中 0≤n_{Trise/fall}≤255

t_{rise or fall Total}=50μs×（n_{high}-n_{low}），当中n_{Trise/fall}=0

t_{high or low}=T_{STEP}×（n_{high/low}+1），当中0≤n_{Thigh/low}≤255

t_{delay}=T_{STEP}×n_{delay}，当中 0≤n_{delay}≤255

在算式中，变量nTrise、nTfall、nThigh和nTlow的数值介乎0到255间，而nhigh 和 nlow则是从0到31中选出来的数字，当调光波形的生效位设定为“1”时，这些数字便成为亮度级的边界。至于N是一个0到7的数字，存储在时间步长寄存器中。脉冲宽度调制（PWM）信号周期（fPWM）会被设定成50s的预设值。假如使用的是外部时钟，那么这个信号周期便会变为fPWM=fSYNC/32。对于每一个输出来说，定制的波形只需进行一次编程。当所有数值被设定后，I2C兼容接口便会触发照明模式的开始和停止时间。诸如LM2757拥有的定时控制功能，是任何外围照明都不可或缺的理想工具。

促成新的显示器技术

虽然，白光LED可提供高效率的功率转换，但由于技术限制，能够再改善的空间很有限。因此，采用有机LED（OLED）显示器便可解决设计人员的功耗问题。一般的LCD显示器都是依赖白光LED作背光，但OLED显示器则依赖每一个像素来直接产生光线，使得显示出来的颜色更加亮丽。OLED显示器由于无需使用背光照亮显示器，因此可节省更多的能耗。为达到这个目的，每一个像素都会按需要来进行开或关，而一个电路会负责控制每一行的像素。一个像素可以只包含一个二极管作单色显示，又或是包含三个二极管（红、绿和蓝）作彩色显示。与LCD显示器模块不同，OLED显示器的二极管嵌入在OLED显示器模块里面。在无源矩阵OLED（PMOLED）显示器中，电源用来为整行像素预先充电，而通常所用的电压都高于正常的5V电压，而所需施加的电压大小会视乎每行像素的数量，又或是OLED显示器的尺寸而定。

图5中的LM4510 OLED驱动器可以通过一个锂离子电池的输入来提供80mA到280mA的电流，以及5V到18V的电压。这个开关稳压器能够将效能提升至85%，并且无需使用肖特基二极管，这为设计人员提供了一个小巧而高效能的解决方案。

消费者不断追求他们的便携手持设备拥有更卓越的多媒体功能，因此设计人员必须加倍用心地正视其功耗问题，否则便难以应对全球移动手机对高画质视频及其他卓越性能的日益高涨的需求。要克服这个挑战，模拟设计人员需要与时俱进，作出革新，开发出更具高效能的解决方案。