如何降低便携式设备的背光源的功率消耗

目前，在便携式消费性电子设备上，所使用较大的LCD显示屏是采用背光方式，并且需要密集运用处理器，而其背后所代表的意义，就是让已经很有限的电池容量汲取出更长且更大的电流。

以往的单色显示屏其背光源采用两颗绿色LED，只需要消耗移动设备总体功率消耗的10％。而现在，多媒体设备所需要的较大与较高分辨率彩色显示屏，让使用中与背光源的功率消耗增加超过了50％。

虽然有最新的先进电池技术，但是电池容量的发展速度仍然无法跟上多媒体移动设备对于额外能源的需求。由于电池技术无法以相同的步调改善，因此便携式设备生产厂商在设法符合消费者的期盼时就会遇到困难。除非他们能够开发出降低功率消耗或是提高电池容量的创新方法，否则他们就必须要为了那些特性而牺牲电池的使用时间。

除了像是以时间为基准的调暗（time based dimming）、显示屏逾时（display timeout）、以及可供使用者选择的亮度设定等技术之外，许多的移动设备生产厂商会使用环境照明感测（ALS）、动态背光控制（cABC）、以及袖珍键盘/通用输入输出（GPIO）扩充器的使用等方式，藉以协助降低电流的流出。

对于大部分的便携式设备生产厂商而言，显示屏背光源已经成为最重要的电池电流消耗重点之一。具有高分辨率彩色显示屏的多媒体设备，在任何时间都需要有适当的背光源，以避免可视性能与可读性的降级。

尽管具有高反射式显示屏是一直都需要背光源，同时又具有相对较高的功率消耗，但是却依然受到移动设备生产厂商的偏爱。此类型显示屏的室内性能、NTSC色域比、高对比度以及高亮度已经使其在同类型组件中获得胜出。为了要降低背光源的功率消耗，尽可能地控制管理背光源强度已经成为必要的措施。

虽然设备可以在无动作期间将背光源变暗，藉以节省电力，但是许多的设备仍然有需要让背光源在与使用者互动的长时间内维持开启状态的应用程序例如网页浏览、电子邮件、GPS导航、游戏、或是视频播放等。

在产品设定选单中的亮度控制可以让使用者调整背光源强度，以便在这些使用情况下节省电力，但这需要由使用者输入，而且需要针对不同的环境照明条件进行多重改变，以期真正的发挥其效用。对于使用者来说，这些技术不再具有实用价值，而且也不足以因应目前密集又独特的使用状况。

环境照明感测（ALS）

LCD或是袖珍键盘对于背光源的需求量可能会随着照明环境的改变而大幅变更。通过环境照明感测功能，光电二极管或是晶体管可以测量出局部的照明强度。光线的可能是太阳、办公室照明或者月光。由传感器所撷取到的光线量能够转换成电流或是电压。以预设的临界值为基础，背光源驱动器或是处理器就可以判定LCD或是袖珍键盘需要多少背光。

在晴朗环境下要驱动所需要的高电流会浪费掉在照明较黯淡环境下所需的能源，而且可能会使眼睛在昏暗环境中疲劳。依据环境照明条件而改变背光强度，对于典型的使用状况而言，可以节省超过60％在明亮环境中驱动背光LEDs所需要的电量。

ALS的实现方法

有一些生产厂商会使用一颗模拟或是数字照明传感器IC来对环境照明进行感测。模拟式照明传感器会将光线转换成电流，而数字式照明传感器则采用内部的ADC产生数字的比特流。模拟式照明传感器由于实现方式较简单，因此价格比较不贵。

不论使用何种传感器，其输出必须要加以译码才能够使用。有许多的设计会使用主要处理器来对传感器输出进行译码，并且控制背光源。然而，主要处理器速度必须要够快才能应付诸多的多媒体特点，因此其更高的速度与频宽，也代表有更多的电流会因为ALS侦测功能而流出。将处理器的介入最小化，对于降低电池消耗而言是相当重要的。

有某些IC如ADI的ADP 5501以及ADP 5520中整合了光线输入译码功能以及背光驱动器控制功能。将照明侦测器智能整合于背光驱动器当中有多项优点。首先，驱动器会使用简易状态机器来执行其作业，让用于执行译码与背光控制的电流耗损降低至20μA以下。其次，所有功能都在单一封装芯片当中，因此可以将PCB布局中连结与走线的数量最小化。第三，可以将背光驱动器以及主要处理器之间的往返通信最小化。

为了使手机生产厂商获得弹性，这些整合式组件都具有可编程的临界值、磁滞（hysteresis）、以及过滤时间。由于所有的机构设计都不相同，因此具有弹性而足以应付所有状况的智能型驱动器就相当的重要。可编程临界值让手机生产厂商可以将光线输入的范围（以日光、办公室环境或是昏暗状态作为考虑）加以编程。在每一组临界值中的磁滞使背光源免于来回的切换。过滤时间让使用者可以针对设备在背光源进行调整之前，需要暴露在照明环境中多久的时间予以编程。对于手机生产厂商其产品与产品之间所需要校正的差异，这些类型的调整使他们更能在进行校正时获得弹性。

显示屏背光源的分析

显示屏背光源使用六组以18 mA驱动、由电池（假设为3.5V LED正向电压、85％驱动器效率、以及4.0V电池）汲取111 mA的串联式LED。因此，假如在所有运作时间内都以最大强度驱动的话，显示屏背光源本身可以在9.9个小时内将1100 mAh的电池耗尽。显示屏并不需要在所有的状况下都以最大的背光强度发光，这将可以在照明较差的环境中像是办公室、电影院、以及晚上的户外显著的节省电力。

图1 具有整合式光电传感器输入的串联式背光驱动器，以及迷你键盘/GPIO扩充器

晴朗天候下的照度从3万2000到10万lux（流明），比明亮办公室中的400lux还要高出了100倍之多，因此在从户外进入室内时，将背光强度减半或是更多，不会对显示屏的可用性与可读性造成任何的损失。大部分的人平均花费其60％的时间在办公室内，因此像这样将背光亮度减低的方法可以使电流的流出减少大约50％或者更多。在前一个例子当中背光源的功率消耗将会从 111mA降到55.5mA。使用ALS时，相同的显示屏在使用1100mAh电池时可以持续19.8小时。

动态背光控制（cABC）

动态背光控制（Content Adaptive Backlight Control）是一种分析显示内容，并且依据图像的灰阶内容以及伽玛校正技术调整显示屏背光的方法。显示屏驱动器会以视频灰阶内容与伽玛校正为准，采用不同的工作周期输出PWM波形到背光驱动器中。背光源会针对较暗的图像而减弱。这可以降低背光源的功率消耗，并且加强显示屏的对比度，同时维持清晰的显示质量。这种方法在场景会在延长的时间内由明亮变为昏暗的视频播放状态下特别有用。cABC也可以针对静态图像与标准的选单屏幕减少电流的流出。

在移动式产品中的使用者接口能够加以特别制作，以便利用这些节省下来的电力。cABC可以依据图像数据而使显示屏的电力减少20％至50％。与ALS结合之后，电力的节省可以超过70％。IC生产厂商已经开始设计结合ALS与 Cabc两者功能的省电IC。

图2 动态背光控制（cABC）

袖珍键盘的背光源

除了显示屏背光源之外，ALS也可以节省袖珍键盘（keypad）背光源的电力。大部分的袖珍键盘都具有一层可见的丝幕（silkscreen），在有环境照明的情况下不需要背光源。以LED或是电致发光灯（EL）技术为基础的一般尺寸袖珍键盘背光源大约会从电池汲取30mA的电流。如果没有ALS，袖珍键盘就必须随时都保持背光启动，而这将会浪费许多的能源。使用ALS，背光驱动器可以将袖珍键盘的背光关闭或是调暗，进而节省数百mAh的电流。具有整合式ALS控制的背光驱动器会在光线改变之间提供中断通知，使处理器可以在袖珍键盘或是其它外围照明上进行调整。

对于一组能够以1100mAh电池播放7个小时视频的设备，111mA的显示屏背光电流消耗所代表的是在视频模式下70％的总电流耗损。将显示屏背光源电流消耗以ALS方式减半，可以使视频播放时间从7小时增加到10.8小时。 表1中所示为在不同照明环境下，以ALS所节省的电力。前一个例子中的显示屏以及袖珍键盘背光源，在全开的状况下总共会汲取141mA的电流。在日光下，袖珍键盘可以完全的关闭，这将可以节省21％的背光源电流。而真正能够节省电流耗损的是在办公室以及昏暗环境下。显示屏背光源电流可以轻易的降低50％， 而且不会使显示质量出现显著的降级，而在此情况下袖珍键盘的背光源一样是可以完全关闭的。使用ALS方法，两者背光源的电流消耗能够减少61％。将袖珍键盘背光源在昏暗环境下以最大电流维持开启，同时将显示屏背光源降低至24 mA后可以换得62 ％的电流节省。

表1 在不同的照明环境下，ALS对于背光源电流消耗的影响

GPIO袖珍键盘扩充器

在设计厂商与电池毫安/小时之电流流出的奋战中，四处探索可以节省电力的部分变得相当的重要。近期以来，文字短信已经增加了100倍之多。青少年以发短信给他们的朋友与恋爱对象取代了移动电话的交谈。虽然不会像背光源的功率消耗那么显著，不过每一个按键动作就会触动应用处理器，进而在数毫秒内消耗数百毫安的电流。一天之内就会快速的累积数千个按键动作，进而消耗掉数十毫安/小时的电池容量。为了增加处理器的频宽以及将处理器的电流消耗最小化，手机设计厂商利用袖珍键盘扩充器（keypad expander）来控制QWERTY移动电话设计中的袖珍键盘。袖珍键盘扩充器像是ADI的 ADP 5588等能够处理所有的按键动作，节省处理器的频宽与电流消耗。按键锁定能力以及照明传感器解碼等的特点也都被整合于该IC当中，有助于节省额外的频宽与电流消耗。

对于更大更高分辨率彩色显示屏的需求，在未来的数年内将会持续的增长。具备了cABC、ALS以及其它电流节省技术的设备，让消费者能够以精致的显示质量观赏视频、浏览网页、与传送文字短信，并且将背光源的功率消耗维持在控制范围内。持续的找出减少背光源功率消耗的方法将会形成一项挑战，但是已经有新方法能够因应显示屏与处理器的高功率消耗。使用ALS、cABC、GPIO/袖珍键盘扩充器、以及其它创新的降低功率消耗技术，将可以使生产厂商制作出现今消费者所渴求之具有丰富媒体的设备，而且不会牺牲多媒体的诸多特点或是延长的电池使用时间。