設計高效能的手持設備照明解決方案

　　現(xiàn)今的便攜設備不單功能越來越多，而且對功率的需求也越來越大，這對便攜電池的電源設計構成很大的挑戰(zhàn)。然而，如果對有關應用的能源消耗有更深入的認識，便可設計出更加節(jié)能的解決方案，這不單可以延長電池的壽命，而且可以提供更好的用戶體驗 。

　　減少便攜設備顯示器的用電量

　　隨著便攜設備的顯示器尺寸越來越大，分辨率和亮度不斷提高，顯示器的背光照明成為能源的最大挑戰(zhàn)。一臺典型的小型顯示器模塊需要3到10個LED才能提供正常的照明。

　　為了解決背光顯示器的能耗問題，一個高效能驅動LED的方法即使用開關電容器。采用這種技術，輸入電壓便可連接到能夠產生穩(wěn)定輸出的多增益開關電容器。在開環(huán)運作下，輸出電壓的大小相當于增益與輸入電壓的乘積。至于閉環(huán)運作則可形成一個固定的輸出，而該輸出的電壓應僅大于LED的正向電壓和所有的壓降。輸出電壓與正向電壓之間的差別便是凈空，而它必須受到監(jiān)管以確保電流流通。在最寬輸入電壓范圍內的最大有效增益中，電容器在增益瞬態(tài)時只會消耗最小電能，而且它會根據(jù)LED的正向電壓和負載要求而不斷作出調節(jié)。雙增益升壓模式(LM2755為1x、LM2756為3/2x，而LM2757為2x和3/2x)可以在一個寬輸入電壓范圍內產生超高效率，使電池的壽命得以延長。

　　現(xiàn)今的消費者傾向追求體積更纖小的便攜設備，這使得電路板空間變得更加珍貴。開關電容器拓撲的另一個優(yōu)點是無需使用電感器，這不僅有助于縮小方案的尺寸，還可節(jié)省材料成本。LM2755、LM2756和LM2757是開關電容器升壓技術的一些例子，它們能夠驅動多至10個LED (每個可驅動高達30mA的二極管電流)。這種較小的解決方案可使驅動器放置在局部而不是中心區(qū)域，從而降低了電磁的干擾。

　　白光LED的可編程性對于控制顯示器的照明來說至關重要。例如，當一個用戶正在使用移動電話通話時，他們不會與顯示器產生任何的互動，因此該顯示器應該選擇調暗。LM2755和LM2756均包含I2C兼容接口，能夠根據(jù)手機的工作情況來控制顯示器的亮度。

　　圖1所示為一個32級調光指數(shù)的設置，它具備800:1的調光比率，能夠進行真正可用肉眼覺察到的線性亮度級控制，其調光模式可以提供一個流暢的顯示器開/關過渡。我們的眼睛其實可以看成一個對數(shù)式的感光器，因為它是以相同的比率而非相同的增量來對光作出反應。所謂線性的亮度增加其實就是現(xiàn)實中可感受到的調光指數(shù)。通過將背光調暗或關閉，設計人員便可獲得更大的靈活性，并可延長電池的壽命。

　　圖2是LM2756的一個典型的應用電路。其中，LM2756驅動八個LED，它們被分成三組獨立控制，以用作不同的顯示用途。以下的算式給出LED的電流水平：

　　I_{DxA/B/C}(A)=189x(V_{ISET}/R_{SET})
　　配合一個正確選擇的電阻器(RSET)并把它放置在ISET和接地之間，則所需的電流便可通過LED連接到DxA和DxB，算式當中的x代表某LED的電流阱(current sink)，而A、B和C則分別代表某一組的LED。

　　一旦電流水平被設定，模擬電流調節(jié)便可通過I2C兼容接口來內部調節(jié)LED的光暗。圖1中32個指數(shù)式的模擬亮度級可被配置供A組的LED使用，與此同時，B組和C組的LED則可處理8個線性的模擬亮度級。

　　配合可獨立控制多組LED的能力，單一LED驅動器便可用來同時控制主顯示器、輔顯示器或鍵盤的LED和LED指示燈。LM2756之所以集成這些功能，是因為并入了八個電流阱并把它們分成三組。其中四個電流阱分到A組，而B組和C組則分別有一個電流阱。通過運用一個寄存器，兩個余下的電流阱(D53和D62)可以供給A組或B組使用。這種設置使主顯示器能有4、5或6個LED可以使用，而余下的LED則可用作其他的照明功能。

　　外圍照明

　　個人移動設備除了主顯示器以外，還有很多地方需要更出色的照明。因此，用作其他照明用途的輔助LED便會消耗更多的電池電量。鍵盤背光燈是目前手持應用的一項重要功能，它不需要像主顯示背光驅動器般要求太多的LED電流匹配。LM2757可為鍵盤后的LED照明提供細小的開關電容器、電壓源和升壓解決方案，而且效率可達90%。LED提示燈可通知用戶電池的電量不足、電池的充電狀態(tài)或有短信送達。此外，這些LED也可用作其他有趣的照明用途。配合三個獨立的RGB LED輸出，LM27551可通過I2C兼容接口為每一個輸出編輯一套光暗模式來促成多區(qū)照明。

　　為達到提示燈和裝飾照明的用途，LED通常都需要配合一個光暗模式。圖3中的LM2755可允許設計人員編設出一個梯形調光波形來獨立控制每一個輸出。下列的算式可計算出圖4波形的延遲、上升、下降、高和低的時間。

　　假如使用內部時鐘，那T_{STEP}= 50μs×2^{(N+1)}；若使用SYNC引腳上的外部時鐘，那T_{STEP}=(1/f_{PWM})×2^{(N+1)}
　　t_{rise/fall Total}=T_{STEP}×(n_{high}-n_{low})×n_{Trise/fall}，當中 0≤n_{Trise/fall}≤255
　　t_{rise or fall Total}=50μs×(n_{high}-n_{low})，當中n_{Trise/fall}=0
　　t_{high or low}=T_{STEP}×(n_{high/low}+1)，當中0≤n_{Thigh/low}≤255
　　t_{delay}=T_{STEP}×n_{delay}，當中 0≤n_{delay}≤255

　　在算式中，變量nTrise、nTfall、nThigh和nTlow的數(shù)值介乎0到255間，而nhigh 和 nlow則是從0到31中選出來的數(shù)字，當調光波形的生效位設定為"1"時，這些數(shù)字便成為亮度級的邊界。至于N是一個0到7的數(shù)字，存儲在時間步長寄存器中。脈沖寬度調制(PWM)信號周期(fPWM)會被設定成50s的預設值。假如使用的是外部時鐘，那么這個信號周期便會變?yōu)閒PWM=fSYNC/32。對于每一個輸出來說，定制的波形只需進行一次編程。當所有數(shù)值被設定后，I2C兼容接口便會觸發(fā)照明模式的開始和停止時間。諸如LM2757擁有的定時控制功能，是任何外圍照明都不可或缺的理想工具。

　　促成新的顯示器技術

　　雖然，白光LED可提供高效率的功率轉換，但由于技術限制，能夠再改善的空間很有限。因此，采用有機LED(OLED)顯示器便可解決設計人員的功耗問題。一般的LCD顯示器都是依賴白光LED作背光，但OLED顯示器則依賴每一個像素來直接產生光線，使得顯示出來的顏色更加亮麗。OLED顯示器由于無需使用背光照亮顯示器，因此可節(jié)省更多的能耗。為達到這個目的，每一個像素都會按需要來進行開或關，而一個電路會負責控制每一行的像素。一個像素可以只包含一個二極管作單色顯示，又或是包含三個二極管(紅、綠和藍)作彩色顯示。與LCD顯示器模塊不同，OLED顯示器的二極管嵌入在OLED顯示器模塊里面。在無源矩陣OLED(PMOLED)顯示器中，電源用來為整行像素預先充電，而通常所用的電壓都高于正常的5V電壓，而所需施加的電壓大小會視乎每行像素的數(shù)量，又或是OLED顯示器的尺寸而定。

　　圖5中的LM4510 OLED驅動器可以通過一個鋰離子電池的輸入來提供80mA到280mA的電流，以及5V到18V的電壓。這個開關穩(wěn)壓器能夠將效能提升至85%，并且無需使用肖特基二極管，這為設計人員提供了一個小巧而高效能的解決方案。

　　消費者不斷追求他們的便攜手持設備擁有更卓越的多媒體功能，因此設計人員必須加倍用心地正視其功耗問題，否則便難以應對全球移動手機對高畫質視頻及其他卓越性能的日益高漲的需求。要克服這個挑戰(zhàn)，模擬設計人員需要與時俱進，作出革新，開發(fā)出更具高效能的解決方案。