2021/3/23 * 谢谢大家! 2021/3/23 * 手机背光驱动的原理与应用 2021/3/23 * 显示屏按其显示原理大致可分为CRT(显像管)、LCD(液晶)及OLED三类,从市场应用看,手机中使用的显示屏主流是LCD,OLED只在翻盖机的小屏中占有少量份额,而CRT在手机中没有用到。 LCD本身不会发光,要想让其显示所要数据和图像,就必需使用白光背光源,手机中的白光背光源一般由数个侧发光白色LED灯组成,LED灯的个数由屏的大小尺寸决定,一般由2~6个不等。本文就以该LED灯的驱动为对象,介绍手机中背光驱动的原理与应用。 背光驱动 2021/3/23 * 下图是手机LCD模组的大概架构,背光LED即在反光膜之 上,导光板之下。 背光驱动 反射自灯管所入射的光,提高光的利用率 支撑导光板和所有膜材,防止变形贴歪 接受光源,引导光的散射方向 将反射光源均匀扩散,遮盖网点,防止 正面出现散射点 提高光的利用率 2021/3/23 * 1、LED的参数 LED的主要参数是Vf/If,其他的是颜色、亮度、波长、发 光角度、效率、功耗等。 Vf:前降电压,LED发光时自身正负极两端的压降。 If:前降电流,一定发光强度下通过LED的电流,发光 强度和If成正比,相同的If下灯的发光强度相同。 手机LCD背光用白光LED正常发光时的If为20mA,Vf一般 为3.0~3.4V 。 LED 在导通时,其电流的变化率远大于前向导通电压的变 化率,所以LED厂家在测试其光学特性及分类时,大多基于 一致的额定电流值(比如5mA 或者20mA),再给出前向导 通电压的变化范围,因而要获得预期的亮度要求,并保证各 个LED 亮度、色度的一致性, 需要相同的驱动电流。 背光驱动 2021/3/23 * 2、白光LED驱动电路的基本要求 1)满足背光的亮度要求; 2)整个显示屏亮度均匀(不允许有某一部分较亮、另一 部分较暗的情况); ??3)亮度可以方便地调节 ; 4)驱动电路占PCB空间要小; 5)工作效率高; 6)综合成本低; 7)对系统其他模块干扰小 。 背光驱动 2021/3/23 * 以上条件应用场合不同,侧重点也不同,有的方案中可能 会把背光驱动电路的成本放在第一位,而有的方案中则可能 会把背光驱动电路的性能放在第一位。 背光驱动 2021/3/23 * 3、白光驱动方式 白光LED驱动方式主要有两种:一种是采用电感升压式 DC/DC升压变换的原理来驱动,所有的LED串联接在一起, 一般也叫做串联型驱动方式;另一种是采用升压式电荷泵驱 动电路,所产生的电压一般在5V/4.5V或者是根据LED的正向 导通电压而自适应确定的一个电压,所有的LED并联在一 起,一般也叫做并联型驱动方式。 背光驱动 2021/3/23 * 串联型驱动电路 串联型驱动电路是出现比较早的驱动电路,早期手机的 LED背光大都采用此种方式 ,顾名思义,串联式驱动电路 中各白光LED采用串联的方式连接在一起,因此,经过各个 灯的电流都是一样的,从而保证了每颗灯的亮度一样,发光 亮度均匀是该方式的最大优点。由于各灯采用串联连接方 式,而每颗灯Vf电压为3.0~3.4V,所以该方式的驱动电路就 需要采用DC/DC升压电路把电压升到所需电压,从而会使该 电路产生EMI辐射,可能影响到手机的射频指标。 背光驱动 2021/3/23 * 以S18-A上用的华润矽威的PT4101为例,典型的串联型背 光驱动电路如下图所示: 背光驱动 2021/3/23 * 该IC的FB管脚为反馈输入端,R1为反馈电阻,LED的最大 电流由该反馈电阻控制,IC内部FB管脚上的参考电压为 104mV,反馈电阻的阻值可通过下式算得: R1=104mV/Iled 若Iled=20mA,则R1=104mV/20mA= 5.2ohm,可选 5.1ohm 的1%精度的电阻。 实际应用中EN脚接PWM信号,通过调节PWM信号的占 空比来调节实际流过LED的电流,使LED从不亮到满亮度之 间逐级可变。我们公司一般设五级,分别为20%、40%、 60%、80%、100%。 背光驱动 2021/3/23 * OV管脚为过压输入端,当LED电路出现断路,即IC输出 开路时,FB端的反馈电压恒定为0V,此时IC就会将占空比调 整到最大,促使输出端电压越来越高,直到IC烧坏。OV脚连 接到输出端,当监测到输出电压超过20V时,该IC就会关 断 ,直到电源重新上电,从而起到输出开路保护的作用。 有的IC没有OV脚,此种情况需在输出端加一个齐纳二极 管,利用它的击穿来保护内部的开关管,如下图: 背光驱动 2021/3/23 * 并联型驱动电路 虽然串联型电路具有电流匹配度高和效率高的优点,但 是其整体的方案中需要一个功率电感和和一个大的肖特基二 极管,这些使得其综合成本和并联型驱动电路相比没有太大 优势 。同时所需贴片电感尺寸比较大,而且处理不好的话容 易产生EMI问题,所以当前手机上用的背光驱动电路以并联 型电路为主。 早期的并联式驱动电路只是解决了LED所需要的电压问 题,它把电池电压统一通过电荷泵的方式升压到5V或者4.5V 的这样一个固定的电压,然后每一个LED通过串联一定的电 阻阻值来控制LED的电流。 下面先简要说明电荷泵的升压原理。 背光驱动 2021/3/23 * 电荷泵升压原理 电荷泵即通常我们看到的charge pump,是DC/DC的一 种,属于电容式DC/DC,它的原理和电感式DC/DC不同,电 感式DC/DC是利用电感来实现升压,而电荷泵则是利用电容 来实现升压,前者的EMI问题比后者严重很多,电荷泵可以 升压,也可以降压,还可以输出反压。手机背光中用到的一 般都是升压,其升压模式有1X、1.5X、2X等。1X模式即输 出电压和输入电压相同,1.5X模式即输出电压是输入电压的 1.5倍,2X模式即输出电压是输入电压的2倍,下面以2X模式 为例说明电荷泵的升压原理。 背光驱动 2021/3/23 * 充电 放电 背光驱动 电荷泵基本原理框图 VOUT=2*VIN 取样电阻 误差放大器 内部开关 2021/3/23 * 电荷泵的工作状态可为两部分:充电和放电 1)、充电状态时,开关S1和S4闭合,S2和S3断开,Vin对Cf充电,Cout对负载供电; 2)、放电状态时,开关S2和S3闭合,S1和S4断开,Vin和Cf串联后对负载供电,同时给Cout充电。输出电压 Vout=Vin+Vcf 充放电的频率取决于开关的开关频率,开关的开关频率由 其前级的控制电路决定。频率越高,则对Cf和Cout的容值要 求越小。取样电阻取出Vout送入误差放大器和Vref进行比 较,比较后的信号经放大后控制Cf的充电时间及充电电压, 以达到稳定输出电压的目的。 背光驱动 2021/3/23 * 背光驱动 1.5X模式原理框图如下: 2021/3/23 * 电荷泵的效率: 2X模式时, ? =Vout/2*Vin 1.5X模式时, ? =Vout/1.5*Vin 由上式可知,在输出电压一定的情况下,输入电压越小, 电荷泵的效率越高,2X模式下效率如下: 当VIN=3.1V,VOUT=5V时,理论效率可以达到83.3%; 当VIN=4.2V,VOUT=5V时,理论效率最高就只有59.5%。 电荷泵内部开关工作在高速开关状态,所以电荷泵也存在 EMI问题,可以在升压电容处测到其开关波形,但电荷泵的 噪声相对于电感式的DC/DC来说是很小的。 背光驱动 2021/3/23 * 如下图,是早期的固定模式并联驱动电路,该电路的缺点 很明显,一是当电池电压较高时,电路的效率太低 ;二是电 流匹配度较差。 背光驱动 2021/3/23 * 为了解决固定模式并联驱动电路的缺点,现在的并联驱 动电路一般采用自适应模式升压,并且增加恒流源电路。 白光LED在工作电流为20mA时前向压降一般为 3.0~3.4V,锂电池满电的电压为4.2V,额定电压为3.7V,所 以当锂电池充满电后,其电压足以直接驱动白光LED工作, 此时电荷泵电路不工作,电池的电压通过一个开关直接到 Vout然后驱动LED。而随着电池的放电,电池电压会逐步降 低,当降低到一定的程度不足以直接驱动LED时,电荷泵电 路开始工作。此即所谓集成1X模式和1.5X模式的自适应升压 模式,并且在尽可能的情况下,让电路工作在1X的直通模式 下。此种模式的电路成为当今背光驱动的主流模式。1X和1.5X的转换电压一般为3.5V。 背光驱动 2021/3/23 * 下图是某背光IC的内部框图,同时带电荷泵和恒流源两部 分电路,Vout输出的是正压。 背光驱动 2021/3/23 * 下图为RT9364的应用图,该IC内部也包含了电荷泵和恒流 源电路,其电荷泵输出的是负压。 背光驱动 2021/3/23 * 自适应模式并联背光解决了固定模式并联背光的效率和电 流匹配度的问题,但增加了额外的电路。随着白光LED制造 技术的提高,其在20mA工作时的前向压降有降低的趋势,并 且该电压的一致性有所提高,致使手机背光中白光LED的工 作电压问题成为次要问题,目前,在4灯及其以下的并联背光 方案中,省掉电荷泵部分电路,白光LED直接由锂电池驱动 的恒流源模式背光驱动产品已经出现,此种背光驱动IC内部 只有恒流源部分电路,效率比较高,但此种IC在电池电压较 低时(3.4V以下),理论上会出现白光LED变暗的问题,但 实际使用过程中至今还没出现该问题。 背光驱动 2021/3/23 * 下图为艾为的AW9364的应用原理图,其外围没有电荷泵的 升压电容,属恒流源型背光驱动IC,每颗灯电流为20mA时, 恒流源的压降为40mV。 背光驱动 此处压降为40mV 2021/3/23 * 下图是圣邦微电子的SGM3127的应用原理图,该IC也属于 恒流源型背光驱动,其电路更加精简,IC只有6个引脚,EN 脚即当使能脚用同时也是IC的电源管脚。 背光驱动 2021/3/23 * 恒流源型背光驱动虽然性价比比较高,但在手机行业激烈 的竞争中,其价格还是显得较高,所以在成本要求很高的方 案中,直接用LDO来做背光驱动,目前的LDO输出电流一般 都能达到300mA,用来做背光驱动已足够。该背光驱动解决 方案的缺点也是显而易见的:背光不能调节,电流匹配度不 高,但以其较低的价格优势,该解决方案也有一定的市场。 背光驱动 2021/3/23 * 背光LED亮度调节方法 目前手机上常用的背光LED亮度调节方法有两种,一种是 PWM调光,另一种是数字脉冲调光。 PWM(Pulse Width Modulation) 即脉冲宽度调制,该调光 技术是一种利用PWM信号的占空比来调节背光亮度的调光方 法,其信号的频率和占空比都可以通过软件进行设置。一般 通过硬件设置通过LED的最大电流Imax,然后通过设置PWM 的占空比来调节实际流过LED的电流,占空比为100%时,流过LED的实际电流即为Imax,占空比为50%时,流过LED的 实际电流即为Imax的50%。 一般使用三角波或锯齿波做载波,调制信号可以是正弦信 号也可以是直流信号,在手机背光调节中该调制信号是直流 信号,改变直流信号的电压,可以改变PWM信号的脉宽,改 变载波信号的频率,可以改变PWM信号的频率。 背光驱动 2021/3/23 * 数字脉冲调光是一种利用脉冲个数的不同来实现背光调节的 调光方法,此种方法占用一个普通的GPIO口,调光时通过向 背光IC的EN端口发送相应个数的脉冲来实现相应阶数的背光调 节,一般有16阶可调,所发脉冲要满足IC相应的要求。 下图为某IC对脉冲的相应要求,EN脚是芯片的使能引脚, 所以EN脚的第一个高脉冲保持时间需要大于20us,以打开该 IC,在LED电流大小设置完成后,EN 引脚需保持高电平。同 时当低脉冲保持时间大于2ms时,该IC关闭。 背光驱动 2021/3/23 * 案例分析 案例一:M280-B上出现无规律死机问题 分析:该项目用的背光IC为AAT3195,其调光模式是数字 脉冲调光,在使用该方式发送脉冲调节背光时,原 则上需要屏蔽中断,以防止脉冲发送过程中有中断 到来而打断脉冲发送,导致背光调节失败。但MTK 手机系统屏蔽中断的时间有个限制,不能超过 60*12/13us=55.4us,具体的软件有个检测工具可 以判断是否有超过这个时间。如果超过这个时间, 系统就会出现死机等故障,M280-B的死机问题就是 屏蔽中断的时间超过了这个值而引起的。 背光驱动 2021/3/23 * 案例二:F282上背光等级调节错乱,出现高等级背光比低等 级暗的现象。 分析:F282上用的背光IC也是数字脉冲调光方式。该方式在 调节背光等级的时候,首先要把背光关掉,然后再发 送所要调节等级的对应脉冲。而F282的软件在关背光 时所发送的低电平时间不合背光IC的要求,导致背光 没有关掉就开始发送下一个等级的脉冲,所以出现了 背光等级调节错乱的问题。 背光驱动 2021/3/23 * 案例三:M524 V1.7的机子背光不能调节,致使五个背光等 级的亮度一样。 分析:M524用的是MT6235平台,背光IC是AW9364,该IC 是数字脉冲调节方式。