手机背光驱动的原理与应用.ppt

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5ma 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led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 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s18-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，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，vin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，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，en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：m280-b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，m280-b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：f282上背光等级调节错乱，出现高等级背光比低等 级暗的现象。 分析：f282上用的背光ic也是数字脉冲调光方式。该方式在 调节背光等级的时候，首先要把背光关掉，然后再发 送所要调节等级的对应脉冲。而f282的软件在关背光 时所发送的低电平时间不合背光ic的要求，导致背光 没有关掉就开始发送下一个等级的脉冲，所以出现了 背光等级调节错乱的问题。,背光驱动,案例三：m524 v1.7的机子背光不能调节，