手机背光驱动的原理与应用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 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 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 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 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 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 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 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 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 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 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 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 CIN CFLY COUT S1 S4 S3 S2 VIN VOUT 充电CIN CFLY COUT S1 S4 S3 S2 VIN VOUT 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 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 背光驱动 1.5X模式原理框图如下: S1 S2 S3 S4 CFLY1 CFLY2 CIN COUT CONTROL OSCILLATORVIN VOUT ENABLE 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 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 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 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 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 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 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 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 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 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 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 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 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 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。