手機(jī)背光驅(qū)動(dòng)的原理與應(yīng)用

手機(jī)背光驅(qū)動(dòng)的原理與應(yīng)用

背光驅(qū)動(dòng)

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(lèi)，從市場(chǎng)應(yīng)用看，手機(jī)中使用的顯示屏主流是LCD,OLED

只在翻蓋機(jī)的小

屏中占有少量份額，

而CRT

在手機(jī)中沒(méi)有用到。LCD本身不會(huì)發(fā)光，要想讓其顯示所要數(shù)據(jù)和

圖像，就必需使用白光背光源，

手機(jī)中的白光背光源一般由數(shù)個(gè)側(cè)發(fā)光白色LED

燈組成，

LED燈

的個(gè)數(shù)由屏的大小尺寸決定，

一

般由2~6

個(gè)不等。本文就以該LED燈的驅(qū)動(dòng)為對(duì)象，介紹手機(jī)中背光驅(qū)動(dòng)的原理與應(yīng)用。導(dǎo)光敏————--接受光源，引導(dǎo)光的散射方向一背光膠架——支撐導(dǎo)光板和所有膜材，防止變形貼歪

—

—

—

反

射自燈管所入射的光，提高光的利用率誠(chéng)

信

勤

奮

精

細(xì)

倉(cāng)

親

新模

組

的

大

概

架

構(gòu)

，

背

光LED

即

在

反

光

膜

之背光驅(qū)動(dòng)下

圖

是

手

機(jī)LCD

上，導(dǎo)光板之下。提高光的利用率

將反射光源均勻擴(kuò)散，遮蓋網(wǎng)點(diǎn)，防止

正面出現(xiàn)散射點(diǎn)上偏光片上片玻璃(CF層

)

波品下片玻璃下增光膜擴(kuò)散膜

—下偏光片上增光膜FP(

背光驅(qū)動(dòng)

1

、LED

的參數(shù)LED的主要參數(shù)是Vf/If,其他的是顏色、亮度、波長(zhǎng)、發(fā)

光角度、

效率、功耗等。Vf:

前降電壓，

LED

發(fā)光時(shí)自身正負(fù)極兩端的壓降。If:

前降電流，

一定發(fā)光強(qiáng)度下通過(guò)LED

的電流，發(fā)光強(qiáng)度和If成正比，相同的If下燈的發(fā)光強(qiáng)度相同。手機(jī)LCD

背光用白光LED

正常發(fā)光時(shí)的If為20

mA,Vf

一般

為

3.0~3.4

V。LED

在導(dǎo)通時(shí)，其電流的變化率遠(yuǎn)大于前向?qū)妷旱淖?/p>

化率，所以LED廠家在測(cè)試其光學(xué)特性及分類(lèi)時(shí)，大多基于一

致

的

額

定

電

流

值

(

比

如5

mA

或者20

mA),再

給

出

前

向

導(dǎo)通電壓的變化范圍，因而要獲得預(yù)期的亮度要求，并保證各個(gè)LED

亮度、色度的一致性，需要相同的驅(qū)動(dòng)電流。

背光驅(qū)動(dòng)

2、

白

光LED

驅(qū)動(dòng)電路的基本要求1)滿足背光的亮度要求；2)

整個(gè)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(diào)節(jié)；4)驅(qū)動(dòng)電路占PCB空間要?。?)工作效率高；6)綜合成本低；7)對(duì)系統(tǒng)其他模塊干擾小。

背光驅(qū)動(dòng)

以上條件應(yīng)用場(chǎng)合不同，側(cè)重點(diǎn)也不同，

有的方案中可能會(huì)把背光驅(qū)動(dòng)電路的成本放在第一位，而有的方案中則可能

會(huì)把背光驅(qū)動(dòng)電路的性能放在第一位。

背光驅(qū)動(dòng)

3、

白光驅(qū)動(dòng)方式白光LED

驅(qū)動(dòng)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(lái)驅(qū)動(dòng)，所有的LED

串聯(lián)接在

一

起，一

般也叫做串聯(lián)型驅(qū)動(dòng)方式；

另

一

種是采用升壓式電荷泵驅(qū)動(dòng)電路，所產(chǎn)生的電壓

一

般在5V/4.5V

或者是根據(jù)LED

的正向?qū)妷憾赃m應(yīng)確定的一個(gè)電壓，所有的LED

并聯(lián)在

一起，一般也叫做并聯(lián)型驅(qū)動(dòng)方式。

背光驅(qū)動(dòng)

串聯(lián)型驅(qū)動(dòng)電路串聯(lián)型驅(qū)動(dòng)電路是出現(xiàn)比較早的驅(qū)動(dòng)電路，早期手機(jī)的LED

背光大都采用此種方式,顧名思義，

串聯(lián)式驅(qū)動(dòng)電路中各白光LED采用串聯(lián)的方式連接在

一

起，因此，經(jīng)過(guò)各個(gè)燈的電流都是一樣的，從而保證了每顆燈的亮度一樣，發(fā)光亮度均勻是該方式的最大優(yōu)點(diǎn)。

由于各燈采用串聯(lián)連接方式，而每顆燈Vf電壓為3.0~3.4

V

,

所以該方式的驅(qū)動(dòng)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(huì)使該電路產(chǎn)生EMI輻射，

可能影響到手機(jī)的射頻指標(biāo)。

背光驅(qū)動(dòng)

以S18-

A

上用的華潤(rùn)矽威的PT4101

為例，典型的串聯(lián)型背

光驅(qū)動(dòng)電路如下圖所示：

背光驅(qū)動(dòng)

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(nèi)部FB

管腳上的參考電壓為104mV,

反饋電阻的阻值可通過(guò)下式算得：R1=104mV/lled若

lled=20mA,則R1=104mV/20mA=5.2ohm,可選5.1ohm的1%

精度的電阻。實(shí)際應(yīng)用中EN腳接PWM信號(hào)，

通過(guò)調(diào)節(jié)PWM

信號(hào)的占空比來(lái)調(diào)節(jié)實(shí)際流過(guò)LED的電流，使LED

從不亮到滿亮度之間逐級(jí)可變。

我們公司一般設(shè)五級(jí)，分別為20%、40%、60%、

80%、

100%

。

背光驅(qū)動(dòng)

OV

管腳為過(guò)壓輸入端，

當(dāng)

LED

電路出現(xiàn)斷路，

即

IC輸出開(kāi)路時(shí)，

FB

端的反饋電壓恒定為0

V,

此

時(shí)IC就會(huì)將占空比調(diào)

整到最大，促使輸出端電壓越來(lái)越高，直到IC燒壞。

OV

腳

連接到輸出端，

當(dāng)監(jiān)測(cè)到輸出電壓超過(guò)20

V

時(shí)

，該

IC

就會(huì)關(guān)斷,直到電源重新上電，從而起到輸出開(kāi)路保護(hù)的作用。有的IC

沒(méi)

有OV

腳，此種情況需在輸出端加

一

個(gè)齊納二極

管，利用它的擊穿來(lái)保護(hù)內(nèi)部的開(kāi)關(guān)管，如下圖：L

背光驅(qū)動(dòng)

并聯(lián)型驅(qū)動(dòng)電路雖然串聯(lián)型電路具有電流匹配度高和效率高的優(yōu)點(diǎn)，但

是其整體的方案中需要一個(gè)功率電感和和一個(gè)大的肖特基二極管，這些使得其綜合成本和并聯(lián)型驅(qū)動(dòng)電路相比沒(méi)有太大優(yōu)

勢(shì)。同時(shí)所需貼片電感尺寸比較大，

而且處理不好的話容

易產(chǎn)生EMI

問(wèn)題，所以當(dāng)前手機(jī)上用的背光驅(qū)動(dòng)電路以并聯(lián)

型電路為主。早期的并聯(lián)式驅(qū)動(dòng)電路只是解決了LED

所需要的電壓?jiǎn)栴}，它把電池電壓統(tǒng)一通過(guò)電荷泵的方式升壓到5V或者4.5V

的這樣一個(gè)固定的電壓，然后每一個(gè)LED

通過(guò)串聯(lián)一定的電

阻阻值來(lái)控制LED

的電流。下面先簡(jiǎn)要說(shuō)明電荷泵的升壓原理。

背光驅(qū)動(dòng)

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/D

C,

它的原理和電感式DC/DC

不同，

電

感式DC/DC

是利用電感來(lái)實(shí)現(xiàn)升壓，

而電荷泵則是利用電容

來(lái)實(shí)現(xiàn)升壓，前者的EMI

問(wèn)題比后者嚴(yán)重很多，

電荷泵可以

升壓，也可以降壓，還可以輸出反壓。手機(jī)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(shuō)明電荷泵的升壓原理。VOUT=2*VIN放

電背

光

驅(qū)

動(dòng)充

電電

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(shí)，開(kāi)關(guān)S1和

S4

閉

合，S2和

S3斷

開(kāi)，Vin

對(duì)

Cf

充電，Cout

對(duì)負(fù)

載

供電

；2

)、

放電

狀

態(tài)時(shí)

，

開(kāi)

關(guān)S2

和

S3

閉

合，S1

和

S4

斷

開(kāi)，Vin和

Cf

串

聯(lián)后

對(duì)

負(fù)

載

供電，同

時(shí)給Co

ut充電。輸出電壓Vout=Vin+Vcf充

放電的

頻率

取

決

于

開(kāi)

關(guān)

的

開(kāi)

關(guān)

頻

率，

開(kāi)

關(guān)

的

開(kāi)

關(guān)

頻

率由

其

前

級(jí)的

控

制電

路

決

定。

頻

率

越

高，

則

對(duì)Cf和

Cout的容值要求

越小。

取

樣電阻取出Vout送

入

誤

差

放

大

器

和Vref

進(jìn)行

比較，比

較

后的

信號(hào)

經(jīng)

放

大

后

控

制Cf

的

充電時(shí)間

及

充電電

壓，

以

達(dá)

到

穩(wěn)

定

輸出電

壓的目的

。背

光

驅(qū)

動(dòng):山收國(guó)型面當(dāng)年冀

X?L華

稅

采

鼎

背光驅(qū)動(dòng)

電荷泵的效率：2X

模式時(shí)，

η

=Vout/2*Vin1.5X

模

式時(shí)，

η=

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(dāng)

VIN=3.1V,VOUT=5V時(shí)

，理論

效

率

可

以達(dá)

到83.3%;當(dāng)

VIN=4.2V,VOUT=5V時(shí)

，

理論

效

率

最

高

就

只

有59.5%

。電荷泵內(nèi)部開(kāi)關(guān)工作在高速開(kāi)關(guān)狀態(tài)，所以電荷泵也存在

EMI問(wèn)題，

可以在升壓電容處測(cè)到其開(kāi)關(guān)波形，但電荷泵的

噪聲相對(duì)于電感式的DC/DC

來(lái)說(shuō)是很小的。背

光

驅(qū)

動(dòng)如下圖，

是早期的固定模式并聯(lián)驅(qū)動(dòng)電路，

該

電路的缺點(diǎn)很明顯，一是當(dāng)電池電壓較高時(shí)，

電路

的

效

率

太低;二

是

電

流匹配

度

較

差

。4C-VIN芯

片XSHDN單節(jié)鋰離

子

電

池6C+VOUT100

Q

100Q

100

Q

100

Ω

100Ω53COUTl

μ

FCIN1μ

FoFF「ON121

μ

FGND十

背光驅(qū)動(dòng)

為了解決固定模式并聯(lián)驅(qū)動(dòng)電路的缺點(diǎn)，現(xiàn)在的并聯(lián)驅(qū)

動(dòng)電路

一

般采用自適應(yīng)模式升壓，

并且增加恒流源電路。白

光LED在工作電流為20

mA時(shí)前向壓降

一

般為3.0~3.4V,

鋰電池滿電的電壓為4.2V,額定電壓為3.7V,

所以當(dāng)鋰電池充滿電后，其電壓足以直接驅(qū)動(dòng)白光LED

工作，此時(shí)電荷泵電路不工作，

電池的電壓通過(guò)

一

個(gè)開(kāi)關(guān)直接到Vout

然后驅(qū)動(dòng)LED

。

而隨著電池的放電，

電池電壓會(huì)逐步降

低，當(dāng)降低到

一

定的程度不足以直接驅(qū)動(dòng)LED

時(shí)

，電荷泵電

路開(kāi)始工作。

此即所謂集成1X

模

式

和1.5X

模式的自適應(yīng)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(dāng)今背光驅(qū)動(dòng)的主流模式。

1X和1.5X

的轉(zhuǎn)換電壓

一

般為3.5V。背

光

驅(qū)

動(dòng)下圖是某背光IC

的內(nèi)部框圖，

同時(shí)帶電荷泵和恒流源兩部

分電路，Vout輸出的是正

壓

。REFERENCEEN1EN21u

F11VOUTISETRISET1×、1.5×CHARGE

PJMP0.47μ

FVEC1+C1-C2+C2-D5D4D3D2D1CURRENTSINKSCONTROLPGND0.47μF1

u

FGNDERROR2背

光

驅(qū)

動(dòng)下圖為RT9364

的應(yīng)用圖，該IC內(nèi)

部也包

含了電

荷

泵

和恒

流

源電路，

其電

荷

泵

輸出的

是負(fù)

壓

。Li-ionBattery

背光驅(qū)動(dòng)

自適應(yīng)模式并聯(lián)背光解決了固定模式并聯(lián)背光的效率和電

流匹配度的問(wèn)題，但增加了額外的電路。

隨著白光LED

制造

技術(shù)的提高，其在20

mA工作時(shí)的前向壓降有降低的趨勢(shì)，并

且該電壓的

一

致性有所提高，致使手機(jī)背光中白光LED

的工

作電壓?jiǎn)栴}成為次要問(wèn)題，

目前，在4燈及其以下的并聯(lián)背光

方案中，省掉電荷泵部分電路，

白

光LED

直接由鋰電池驅(qū)動(dòng)的恒流源模式背光驅(qū)動(dòng)產(chǎn)品已經(jīng)出現(xiàn)，

此種背光驅(qū)動(dòng)IC

內(nèi)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(shí)

(3.4

V

以

下)

,

理

論

上

會(huì)

出

現(xiàn)

白

光LED變

暗

的

問(wèn)

題

，

但實(shí)際使用過(guò)程中至今還沒(méi)出現(xiàn)該問(wèn)題。背

光

驅(qū)

動(dòng)下圖為艾為的AW9364的

應(yīng)

用

原

理圖，

其

外圍

沒(méi)

有電

荷

泵的升壓電容，屬

恒

流

源型

背

光

驅(qū)

動(dòng)IC,

每顆燈電流為20

mA時(shí)，

恒流

源的

壓降為40

mV。2.8V

to

5.5VAW9364LED1LED2LED3LED4AGND此

處壓

降

為40

mVPulse-SS-2Inputn≤16PGNDVIN1uF十ENViNLED1LED2LED3

LED4EN

SGM3127GND

背光驅(qū)動(dòng)

下圖是圣邦微電子的SGM3127

的應(yīng)用原理圖，該IC

也屬于恒流源型背光驅(qū)動(dòng)，其電路更加精簡(jiǎn)，

IC

只有6個(gè)引腳，EN腳即當(dāng)使能腳用同時(shí)也是IC

的電源管腳。CIN0.1μFPWM

背光驅(qū)動(dòng)

恒流源型背光驅(qū)動(dòng)雖然性?xún)r(jià)比比較高，

但在手機(jī)行業(yè)激烈

的競(jìng)爭(zhēng)中，其價(jià)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(lái)做背光驅(qū)動(dòng)，

目前的LDO

輸出電流一般都能達(dá)到300

mA,

用來(lái)做背光驅(qū)動(dòng)已足夠。該背光驅(qū)動(dòng)解決方案的缺點(diǎn)也是顯而易見(jiàn)的：

背光不能調(diào)節(jié)，

電流匹配度不

高，但以其較低的價(jià)格優(yōu)勢(shì)，該解決方案也有一定的市場(chǎng)。

背光驅(qū)動(dòng)

背

光LED

亮度調(diào)節(jié)方法目前手機(jī)上常用的背光LED

亮度調(diào)節(jié)方法有兩種，

一

種是

PWM

調(diào)光，

另

一

種是數(shù)字脈沖調(diào)光。PWM(Pulse

Width

Modulation)

即脈沖寬度調(diào)制，該調(diào)光

技術(shù)是

一

種利用PWM

信號(hào)的占空比來(lái)調(diào)節(jié)背光亮度的調(diào)光方法，其信號(hào)的頻率和占空比都可以通過(guò)軟件進(jìn)行設(shè)置。

一般通過(guò)硬件設(shè)置通過(guò)LED的最大

電

流Imax,

然后通過(guò)設(shè)

置PWM的占空比來(lái)調(diào)節(jié)實(shí)際流過(guò)LED

的電流，

占空比為100%時(shí)，流

過(guò)LED

的實(shí)際電流即為Imax,

占空比為50%時(shí)，

流

過(guò)LED

的實(shí)際電流即為Imax

的50%。一般使用三角波或鋸齒波做載波，調(diào)制信號(hào)可以是正弦信

號(hào)也可以是直流信號(hào)，在手機(jī)背光調(diào)節(jié)中該調(diào)制信號(hào)是直流信號(hào)，改變直流信號(hào)的電壓，

可以改變PWM

信號(hào)的脈寬，改變載波信號(hào)的頻率，可以改變PWM

信號(hào)的頻率。背光驅(qū)動(dòng)

數(shù)字脈沖調(diào)光是一種利用脈沖個(gè)數(shù)的不同來(lái)實(shí)現(xiàn)背光調(diào)節(jié)的

調(diào)光方法，此種方法占用

一

個(gè)普通的GPIO

口，調(diào)光時(shí)通過(guò)向背

光IC的

EN端口發(fā)送相應(yīng)個(gè)數(shù)的脈沖來(lái)實(shí)現(xiàn)相應(yīng)階數(shù)的背光調(diào)

節(jié)，

一

般有16

階可調(diào)，所發(fā)脈沖要滿足IC

相應(yīng)的要求。下圖為某IC

對(duì)脈沖的相應(yīng)要求，

EN

腳是芯片的使能引腳，

所以

EN

腳的第一個(gè)高脈沖保持時(shí)間需要大于20

us

,

以打開(kāi)該IC,

在LED

電流大小設(shè)置完成后，EN

引腳需保持高

電平

。

同

時(shí)當(dāng)?shù)兔}沖保持時(shí)間大于2ms時(shí)，該IC關(guān)閉。20us<ToN0.5us<THI

0.5us<TLo<500us2ms<TsHDNEN16/16

6

12/16ILED23

414/1616/163/165/165

61/161615

背光驅(qū)動(dòng)

案例分析案例

一：M280-B

上出現(xiàn)無(wú)規(guī)律死機(jī)問(wèn)題分析：

該