如何實現(xiàn)便攜式系統(tǒng)設(shè)計中最新提出的照明要求

　　手持設(shè)備和便攜式設(shè)備的照明設(shè)計需求在過去幾年中經(jīng)歷了巨大的變化。就在不久前，典型手機用的還是簡單的無源LCD顯示器，很少或者根本就沒有背光。設(shè)計師所面臨的最大挑戰(zhàn)只是在不泄漏系統(tǒng)電池能量的條件下如何高效率地驅(qū)動一系列并聯(lián)或串聯(lián)的LED。

　　然而隨著設(shè)計師開始使用更高性能的彩色顯示器，并開始在便攜式系統(tǒng)中嵌入像照相機之類的各種增值功能，對電源的要求有了顯著提高。如今，典型的蜂窩手機或手持設(shè)備都采用很高分辨率、有四個或更多LED產(chǎn)生背光的主顯示器。其中許多還采用另外一個小顯示器，這些顯示器用在翻蓋手機的外面，可以提供額外的信息。通常這些子面板要用另外兩個LED提供背光。還經(jīng)常要求電源電路來驅(qū)動輔助的RGB狀態(tài)燈，并為設(shè)備的鍵盤提供背光。

　　同時，集成的照相功能為便攜式系統(tǒng)的電源設(shè)計帶來了一套全新的要求。嵌入式照相機需要一個閃光燈，通常需要在很短的持續(xù)時間內(nèi)以大功率驅(qū)動一個或數(shù)個LED來實現(xiàn)。在早期的照相機實現(xiàn)方案中，采用像素還不到1M的CCD，所需的閃光驅(qū)動電流也不到100mA。但隨著便攜式系統(tǒng)設(shè)計師開始普遍采用高分辨率的CCD，閃光功能對電源的需求也上升了。如今對許多便攜式設(shè)備來說，僅僅是實現(xiàn)照相的閃光功能并實現(xiàn)相片的最高分辨率以及紅眼校正功能，就需要高達600mA的電流，對于氙氣閃光燈來說還要更高(見圖：AAT3171的典型應(yīng)用)。此外，增加其它新的閃光功能或電影模式，將給設(shè)計師提出更復雜的電源管理要求和系統(tǒng)設(shè)計。

獨立實現(xiàn)

　　通常，便攜式系統(tǒng)設(shè)計師主要采用獨立的實現(xiàn)方案來管理照明設(shè)備的功率。對于背光應(yīng)用，設(shè)計師通常使用獨立的電荷泵來驅(qū)動并聯(lián)的LED、而采用升壓變換器來驅(qū)動串連的LED并提供基本的照明功能。彩色顯示器增加了對功率的需求，但在早期的設(shè)計中，很少可以使設(shè)計師靈活地調(diào)節(jié)照明強度。目前，像控制照明強度的白平衡和產(chǎn)生狀態(tài)燈的不同色彩的色彩平衡變得越來越重要，從而要求系統(tǒng)控制器或事務(wù)管理微控制器提供更復雜的控制。早期，絕大多數(shù)的設(shè)計師都采用噪聲相對較大的模擬PWM控制信號來控制LED亮度和背光功能。

　　最初，閃光LED功能是作為單獨的部分來實現(xiàn)的，只提供簡單的開關(guān)控制。后來設(shè)計師在系統(tǒng)處理器中加入一些基本的算法來控制閃光子系統(tǒng)。由于很少有哪些系統(tǒng)提供閃光強度控制，因此設(shè)計師一般通過管理照相機快門來控制到達CCD的光量。但隨著嵌入式照相機性能的改進，設(shè)計師不得不升級閃光功率管理系統(tǒng)的性能。這些提升的性能要求采用固定的照相快門和對閃光強度的更好控制。為了減少系統(tǒng)控制器的開銷，設(shè)計師開始采用更具智能的閃光LED控制器。但隨著對減小系統(tǒng)尺寸和成本的市場壓力的不斷增強，以及照明功能的數(shù)量、種類和復雜度的持續(xù)增加，便攜式系統(tǒng)設(shè)計師開始尋求更新的方案來替代這些獨立的照明子系統(tǒng)。

追求最高集成度

　　最近，一些電源管理半導體生產(chǎn)廠商宣布在上述功能的縱向集成方面取得了重大進展。將許多電路集成到一個單芯片中不僅可以減少元器件數(shù)量，而且減輕了對PCB的空間需求，并使系統(tǒng)處理器的開銷減到最小，從而幫助便攜式系統(tǒng)設(shè)計師降低成本。

　　高集成度允許設(shè)計師不再采用專用的白光LED驅(qū)動器來驅(qū)動背光設(shè)備，也不再需用專用的照相閃光驅(qū)動器IC和幾片分離的通用LDO或一片雙LDO IC，而是采用集成度更高的IC，例如AnalogicTech公司的 AAT2842完整顯示解決方案。該方案將上述所有三種功能全部集成在一個4 x 4mm封裝的單芯片中(見圖：AAT2842方框圖)。這些復雜電路包括一個大電流的三模電荷泵，四路30mA輸出的白背光LED驅(qū)動，四路用于閃光LED的輸出驅(qū)動和兩個通用目的的200mA LDO。也可以將四路閃光LED輸出結(jié)合起來驅(qū)動單個照相機閃光LED，驅(qū)動電流可以高達600mA，該指標足以滿足目前的高分辨率嵌入式照相機的閃光需求。背光輸出還可以用于較低電流的鍵盤應(yīng)用。每個LDO可以提供200mA的連續(xù)負載電流，而壓差僅為200mV。此外，用戶可以通過一個范圍為1.2-5V的電阻分壓器對嵌入在顯示器電源管理器件中的每個LDO的輸出電壓進行編程，從而可以滿足范圍很廣的應(yīng)用要求。為了簡化設(shè)計，一路控制信號可以控制兩個LDO輸出。

　　在一個單芯片上集成多個功能的風險之一是潛在地受限于設(shè)計師配置系統(tǒng)的能力。為了使設(shè)計具備最大的靈活性，這些器件增加了兩個獨立的串行口，從而使設(shè)計師能夠獨立地驅(qū)動背光或鍵盤LED和閃光燈LED。利用這些獨立的接口，設(shè)計師可以開啟、關(guān)斷或者設(shè)置多達16個不同等級的電流來控制背光/鍵盤和閃光功能。此外，設(shè)計師可以通過調(diào)整背光或閃光LED使其適合各自的應(yīng)用需求，從而有助于節(jié)省功率。另一方面，還可以通過外部電阻控制背光/鍵盤和閃光燈LED。

　　當需要為多個顯示器提供背光或增加輔助照明功能時，其他一些高集成度的電源管理IC能夠幫助設(shè)計師研發(fā)效率更高或者更加成本有效的解決方案。這些器件將高效率的三模電荷泵與背光LED、照相機閃光和輔助照明所需的各個驅(qū)動器集成在一起。這些IC能夠驅(qū)動多達6個LED，而不像以前只能驅(qū)動四個背光LED。通過為每個通道提供單獨的控制，這些新器件使得設(shè)計師能夠驅(qū)動為主顯示器提供背光的LED，以及驅(qū)動為子面板顯示器提供背光的兩個LED，或者可以將六個LED全部用于照明單個顯示器。

　　在這些新的IC中，有些IC(例如AnalogicTech公司的 AAT2830)可以提供高達600mA的電流來驅(qū)動多達四個閃光LED，并支持日益增加的閃光和電影模式應(yīng)用方面的普遍需求。此外，這些IC還增加了三個能夠提供60mA的驅(qū)動器，分別用于RGB，鍵盤或其它輔助照明應(yīng)用。位于這些新器件核心位置的三模式電荷泵能夠為同時支持背光、閃光和輔助光這三類LED功能提供足夠的功率。

　　為了降低系統(tǒng)控制器的開銷，許多新型的顯示器電源管理IC還增加了一個集成式閃光計時器。傳統(tǒng)上，便攜式系統(tǒng)設(shè)計師都利用芯片閃光開啟端上從高電平到低電平的瞬變來控制閃光的持續(xù)時間。如果系統(tǒng)控制軟件出問題或控制線斷開，采用此架構(gòu)的設(shè)計師將會冒使閃光LED停留在滿功率狀態(tài)的風險。因為閃光LED只能工作很短的時間，這類故障將會很快燒掉LED并會很快地耗盡電池功率。

　　而通過在新一代顯示電源管理IC中最新加入的集成閃光計時器，不僅減小了系統(tǒng)控制器的開銷，還提供了真正的安全功能，不會出現(xiàn)上述這些類型的故障。該計時器可以在可編程的時間內(nèi)逐步減少閃光電流。通過向器件內(nèi)的定時寄存器裝入一個數(shù)據(jù)來設(shè)定接通的時間長度，然后為一個外部定時電容選擇一個合適的值。一旦數(shù)據(jù)被鎖存到定時寄存器，閃光電流減少功能就自動開啟，經(jīng)過所編程的時間后就會斷開。由于控制器對接通時間是“即設(shè)即忘”的，因此該集成式計時器不需要控制器跟蹤閃光動作過程。同樣，它還能確保閃光LED按照電容值所限定的預(yù)定閃光時間開啟照明。

本文小結(jié)

　　便攜式系設(shè)計中照明功能的連續(xù)升級并沒有放慢的跡象。隨統(tǒng)著設(shè)計師為用戶提供前所未有且范圍更廣的功能，下一代系統(tǒng)無疑需要增加更新的照明功能。這些革新將不可避免地向設(shè)計師提出新的功率管理挑戰(zhàn)。

　　為了解決這些功率管理問題，半導體廠商早已在研發(fā)一系列新的器件。這些新器件將電荷泵、升壓變換器、背光、閃光、RGB和LDO功能塊以全新的方式集成在一起。隨著這些照明功能的擴展，以及移動通信和個人電子設(shè)備體積的不斷變小，新一代縱向集成的系統(tǒng)級器件將在設(shè)計師研發(fā)更低成本、更高性能系統(tǒng)的過程中扮演至關(guān)重要的作用。

作者： Adolfo Garcia,

AnalogicTech公司照明產(chǎn)品部門產(chǎn)品線總監(jiān)