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1、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26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
2、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3.03.4V 。 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5
3、mA 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LE
4、D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
5、 式，而每颗灯Vf电压为3.03.4V，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S66-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，
6、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
7、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
8、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,充电,放电,背光驱动,电荷泵基本原理框图 VOUT=2*VIN,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，V
9、in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：,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
10、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
11、恒流源电路。 白光LED在工作电流为20mA时前向压降一般为 3.03.4V，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
12、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
13、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，
14、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
15、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，E
16、N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：M99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，M99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：A88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
