手機背光驅動的原理與應用

1、手機背光驅動的原理與應用 顯示屏按其顯示原理大致可分為crt(顯像管)、 lcd(液晶)及oled三類，從市場應用看，手機中 使用的顯示屏主流是lcd，oled只在翻蓋機的小 屏中占有少量份額，而crt在手機中沒有用到。 lcd本身不會發(fā)光，要想讓其顯示所要數據和 圖像，就必需使用白光背光源，手機中的白光背 光源一般由數個側發(fā)光白色led燈組成，led燈 的個數由屏的大小尺寸決定，一般由26個不等。 本文就以該led燈的驅動為對象，介紹手機中背 光驅動的原理與應用。 背光驅動 下圖是手機lcd模組的大概架構，背光led即在反光膜之 上，導光板之下。 背光驅動 反射自燈管所入射的光，提高光的利用

2、率 支撐導光板和所有膜材，防止變形貼歪 接受光源,引導光的散射方向 將反射光源均勻擴散,遮蓋網點,防止 正面出現散射點 提高光的利用率 1、led的參數的參數 led的主要參數是vf/if，其他的是顏色、亮度、波長、發(fā) 光角度、效率、功耗等。 vf：前降電壓，led發(fā)光時自身正負極兩端的壓降。 if：前降電流，一定發(fā)光強度下通過led的電流，發(fā)光 強度和if成正比，相同的if下燈的發(fā)光強度相同。 手機lcd背光用白光led正常發(fā)光時的if為20ma，vf一般 為3.03.4v 。 led 在導通時，其電流的變化率遠大于前向導通電壓的變 化率，所以led廠家在測試其光學特性及分類時，大多基于 一

3、致的額定電流值（比如5ma 或者20ma），再給出前向導 通電壓的變化范圍，因而要獲得預期的亮度要求，并保證各 個led 亮度、色度的一致性， 需要相同的驅動電流。 背光驅動 2、白光、白光led驅動電路的基本要求驅動電路的基本要求 1）滿足背光的亮度要求； 2）整個顯示屏亮度均勻（不允許有某一部分較亮、另一 部分較暗的情況）； 3）亮度可以方便地調節(jié) ； 4）驅動電路占pcb空間要?。?5）工作效率高； 6）綜合成本低； 7）對系統(tǒng)其他模塊干擾小 。 背光驅動 以上條件應用場合不同，側重點也不同，有的方案中可能 會把背光驅動電路的成本放在第一位，而有的方案中則可能 會把背光驅動電路的性能放在

4、第一位。 背光驅動 3、白光驅動方式、白光驅動方式 白光led驅動方式主要有兩種：一種是采用電感升壓式 dc/dc升壓變換的原理來驅動，所有的led串聯接在一起， 一般也叫做串聯型驅動方式；另一種是采用升壓式電荷泵驅 動電路，所產生的電壓一般在5v/4.5v或者是根據led的正向 導通電壓而自適應確定的一個電壓，所有的led并聯在一 起，一般也叫做并聯型驅動方式。 背光驅動 串聯型驅動電路串聯型驅動電路 串聯型驅動電路是出現比較早的驅動電路，早期手機的 led背光大都采用此種方式 ，顧名思義，串聯式驅動電路 中各白光led采用串聯的方式連接在一起，因此，經過各個 燈的電流都是一樣的，從而保證了

5、每顆燈的亮度一樣，發(fā)光 亮度均勻是該方式的最大優(yōu)點。由于各燈采用串聯連接方 式，而每顆燈vf電壓為3.03.4v，所以該方式的驅動電路就 需要采用dc/dc升壓電路把電壓升到所需電壓，從而會使該 電路產生emi輻射，可能影響到手機的射頻指標。 背光驅動 以s18-a上用的華潤矽威的pt4101為例，典型的串聯型背 光驅動電路如下圖所示： 背光驅動 該ic的fb管腳為反饋輸入端，r1為反饋電阻，led的最大 電流由該反饋電阻控制，ic內部fb管腳上的參考電壓為 104mv，反饋電阻的阻值可通過下式算得： r1=104mv/iled 若iled=20ma，則r1=104mv/20ma= 5.2oh

6、m，可選 5.1ohm 的1%精度的電阻。 實際應用中en腳接pwm信號，通過調節(jié)pwm信號的占 空比來調節(jié)實際流過led的電流，使led從不亮到滿亮度之 間逐級可變。我們公司一般設五級，分別為20%、40%、 60%、80%、100%。 背光驅動 ov管腳為過壓輸入端，當led電路出現斷路，即ic輸出 開路時，fb端的反饋電壓恒定為0v，此時ic就會將占空比調 整到最大，促使輸出端電壓越來越高，直到ic燒壞。ov腳連 接到輸出端，當監(jiān)測到輸出電壓超過20v時，該ic就會關 斷 ，直到電源重新上電，從而起到輸出開路保護的作用。 有的ic沒有ov腳，此種情況需在輸出端加一個齊納二極 管，利用它的

7、擊穿來保護內部的開關管，如下圖： 背光驅動 并聯型驅動電路并聯型驅動電路 雖然串聯型電路具有電流匹配度高和效率高的優(yōu)點，但 是其整體的方案中需要一個功率電感和和一個大的肖特基二 極管，這些使得其綜合成本和并聯型驅動電路相比沒有太大 優(yōu)勢 。同時所需貼片電感尺寸比較大，而且處理不好的話容 易產生emi問題，所以當前手機上用的背光驅動電路以并聯 型電路為主。 早期的并聯式驅動電路只是解決了led所需要的電壓問 題，它把電池電壓統(tǒng)一通過電荷泵的方式升壓到5v或者4.5v 的這樣一個固定的電壓，然后每一個led通過串聯一定的電 阻阻值來控制led的電流。 下面先簡要說明電荷泵的升壓原理。 背光驅動 電

8、荷泵升壓原理電荷泵升壓原理 電荷泵即通常我們看到的charge pump，是dc/dc的一 種，屬于電容式dc/dc，它的原理和電感式dc/dc不同，電 感式dc/dc是利用電感來實現升壓，而電荷泵則是利用電容 來實現升壓，前者的emi問題比后者嚴重很多，電荷泵可以 升壓，也可以降壓，還可以輸出反壓。手機背光中用到的一 般都是升壓，其升壓模式有1x、1.5x、2x等。1x模式即輸 出電壓和輸入電壓相同，1.5x模式即輸出電壓是輸入電壓的 1.5倍，2x模式即輸出電壓是輸入電壓的2倍，下面以2x模式 為例說明電荷泵的升壓原理。 背光驅動 cin cfly cout s1 s4s3 s2 vin

9、vout + - + - i 充電 cin cfly cout s1 s4s3 s2 vin vout + - + - i 放電 背光驅動 電荷泵基本原理框圖 vout=2*vin 取樣電阻 誤差放大器 內部開關 電荷泵的工作狀態(tài)可為兩部分：充電和放電 1)、充電狀態(tài)時，開關s1和s4閉合，s2和s3斷開，vin對 cf充電，cout對負載供電； 2)、放電狀態(tài)時，開關s2和s3閉合，s1和s4斷開，vin和 cf串聯后對負載供電，同時給cout充電。輸出電壓 vout=vin+vcf 充放電的頻率取決于開關的開關頻率，開關的開關頻率由 其前級的控制電路決定。頻率越高，則對cf和cout的容值

10、要 求越小。取樣電阻取出vout送入誤差放大器和vref進行比 較，比較后的信號經放大后控制cf的充電時間及充電電壓， 以達到穩(wěn)定輸出電壓的目的。 背光驅動 背光驅動 1.5x模式原理框圖如下： s1 s2 s3 s4 cfly1 cfly2 cin cout control / oscillator vin vout enable 電荷泵的效率： 2x模式時， =vout/2*vin 1.5x模式時， =vout/1.5*vin 由上式可知，在輸出電壓一定的情況下，輸入電壓越小， 電荷泵的效率越高，2x模式下效率如下： 當vin=3.1v，vout=5v時，理論效率可以達到83.3%； 當v

11、in=4.2v,vout=5v時，理論效率最高就只有59.5%。 電荷泵內部開關工作在高速開關狀態(tài)，所以電荷泵也存在 emi問題，可以在升壓電容處測到其開關波形，但電荷泵的 噪聲相對于電感式的dc/dc來說是很小的。 背光驅動 如下圖，是早期的固定模式并聯驅動電路，該電路的缺點 很明顯，一是當電池電壓較高時，電路的效率太低 ；二是電 流匹配度較差。 背光驅動 為了解決固定模式并聯驅動電路的缺點，現在的并聯驅 動電路一般采用自適應模式升壓，并且增加恒流源電路。 白光led在工作電流為20ma時前向壓降一般為 3.03.4v，鋰電池滿電的電壓為4.2v，額定電壓為3.7v，所 以當鋰電池充滿電后，

12、其電壓足以直接驅動白光led工作， 此時電荷泵電路不工作，電池的電壓通過一個開關直接到 vout然后驅動led。而隨著電池的放電，電池電壓會逐步降 低，當降低到一定的程度不足以直接驅動led時，電荷泵電 路開始工作。此即所謂集成1x模式和1.5x模式的自適應升壓 模式，并且在盡可能的情況下，讓電路工作在1x的直通模式 下。此種模式的電路成為當今背光驅動的主流模式。1x和 1.5x的轉換電壓一般為3.5v。 背光驅動 下圖是某背光ic的內部框圖，同時帶電荷泵和恒流源兩部 分電路，vout輸出的是正壓。 背光驅動 下圖為rt9364的應用圖，該ic內部也包含了電荷泵和恒流 源電路，其電荷泵輸出的是

13、負壓。 背光驅動 自適應模式并聯背光解決了固定模式并聯背光的效率和電 流匹配度的問題，但增加了額外的電路。隨著白光led制造 技術的提高，其在20ma工作時的前向壓降有降低的趨勢，并 且該電壓的一致性有所提高，致使手機背光中白光led的工 作電壓問題成為次要問題，目前，在4燈及其以下的并聯背光 方案中，省掉電荷泵部分電路，白光led直接由鋰電池驅動 的恒流源模式背光驅動產品已經出現，此種背光驅動ic內部 只有恒流源部分電路，效率比較高，但此種ic在電池電壓較 低時（3.4v以下），理論上會出現白光led變暗的問題，但 實際使用過程中至今還沒出現該問題。 背光驅動 下圖為艾為的aw9364的應用

14、原理圖，其外圍沒有電荷泵的 升壓電容，屬恒流源型背光驅動ic，每顆燈電流為20ma時， 恒流源的壓降為40mv。 背光驅動 此處壓降為40mv 下圖是圣邦微電子的sgm3127的應用原理圖，該ic也屬于 恒流源型背光驅動，其電路更加精簡，ic只有6個引腳，en 腳即當使能腳用同時也是ic的電源管腳。 背光驅動 恒流源型背光驅動雖然性價比比較高，但在手機行業(yè)激烈 的競爭中，其價格還是顯得較高，所以在成本要求很高的方 案中，直接用ldo來做背光驅動，目前的ldo輸出電流一般 都能達到300ma，用來做背光驅動已足夠。該背光驅動解決 方案的缺點也是顯而易見的：背光不能調節(jié)，電流匹配度不 高，但以其較

15、低的價格優(yōu)勢，該解決方案也有一定的市場。 背光驅動 背光背光led亮度調節(jié)方法亮度調節(jié)方法 目前手機上常用的背光led亮度調節(jié)方法有兩種，一種是 pwm調光，另一種是數字脈沖調光。 pwm(pulse width modulation) 即脈沖寬度調制，該調光 技術是一種利用pwm信號的占空比來調節(jié)背光亮度的調光方 法，其信號的頻率和占空比都可以通過軟件進行設置。一般 通過硬件設置通過led的最大電流imax，然后通過設置pwm 的占空比來調節(jié)實際流過led的電流，占空比為100%時，流 過led的實際電流即為imax，占空比為50%時，流過led的 實際電流即為imax的50%。 一般使用三

16、角波或鋸齒波做載波，調制信號可以是正弦信 號也可以是直流信號，在手機背光調節(jié)中該調制信號是直流 信號，改變直流信號的電壓，可以改變pwm信號的脈寬，改 變載波信號的頻率，可以改變pwm信號的頻率。 背光驅動 數字脈沖調光是一種利用脈沖個數的不同來實現背光調節(jié)的 調光方法，此種方法占用一個普通的gpio口，調光時通過向 背光ic的en端口發(fā)送相應個數的脈沖來實現相應階數的背光調 節(jié)，一般有16階可調，所發(fā)脈沖要滿足ic相應的要求。 下圖為某ic對脈沖的相應要求，en腳是芯片的使能引腳， 所以en腳的第一個高脈沖保持時間需要大于20us，以打開該 ic，在led電流大小設置完成后，en 引腳需保持

17、高電平。同 時當低脈沖保持時間大于2ms時，該ic關閉。 背光驅動 案例分析案例分析 案例一：m280-b上出現無規(guī)律死機問題 分析：該項目用的背光ic為aat3195，其調光模式是數字 脈沖調光，在使用該方式發(fā)送脈沖調節(jié)背光時，原 則上需要屏蔽中斷，以防止脈沖發(fā)送過程中有中斷 到來而打斷脈沖發(fā)送，導致背光調節(jié)失敗。但mtk 手機系統(tǒng)屏蔽中斷的時間有個限制，不能超過 60*12/13us=55.4us，具體的軟件有個檢測工具可 以判斷是否有超過這個時間。如果超過這個時間， 系統(tǒng)就會出現死機等故障，m280-b的死機問題就 是 屏蔽中斷的時間超過了這個值而引起的。 背光驅動 案例二：f282上背

18、光等級調節(jié)錯亂，出現高等級背光比低等 級暗的現象。 分析：f282上用的背光ic也是數字脈沖調光方式。該方式在 調節(jié)背光等級的時候，首先要把背光關掉，然后再發(fā) 送所要調節(jié)等級的對應脈沖。而f282的軟件在關背光 時所發(fā)送的低電平時間不合背光ic的要求，導致背光 沒有關掉就開始發(fā)送下一個等級的脈沖，所以出現了 背光等級調節(jié)錯亂的問題。 背光驅動 案例三：m524 v1.7的機子背光不能調節(jié)，致使五個背光等 級的亮度一樣。 分析：m524用的是mt6235平臺，背光ic是aw9364，該ic 是數字脈沖調節(jié)方式。由于35自身平臺的bug，我們 在背光ic的en腳上增加了一個rc濾波電路，軟件通過

19、gpio口發(fā)出的調節(jié)背光的脈沖信號經過rc濾波后， 其高低電平持續(xù)的時間都有所變短，達不到背光ic 的時序要求，所以出現了該問題。后續(xù)mt6235的案 子都會增加該rc電路，所以大家在做35平臺的案子時 要注意該問題，要提醒軟件拉長背光調節(jié)脈沖高低電 平的持續(xù)時間，軟件的具體做法請參考m240項目。 背光驅動 謝謝大家！ majpjmvcyzj21hlfrvy96dv02lppfygxus7iymzkyemz0kgeyzs3bplckyh1lt4ek7cxmux3ijoysoer7zuavwygz4epzruirvpmzzvntf1xzw5oswsxotfaejnocmfe1lzgnn1rsxg8wlcg8cvq3xpjmvodpfwcpiyjgzaznsepniaklysu7qsd1upaxmzdlpn9zw7kljfslcli26yv109ffbndh8lbun1g6acurq39eg12khl9txsz1jzgock8g1kunoh5efvcmvt5zyvqt9zk3rp3qlnf02fovexxvrxjccfrnppijljniouk6fonnyx7fygg7sxz49bmcn5oy9ves