手机背光驱动的原理与应用

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2~6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3.0~3.4V。

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3.0~3.4V，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管脚为为过压压输入入端，，当LED电路出出现断断路，，即IC输出开路时时，FB端的反反馈电电压恒恒定为为0V，此时时IC就会将将占空空比调调整到最最大，，促使使输出出端电电压越越来越越高，，直到到IC烧坏。。OV脚连接到输输出端端，当当监测测到输输出电电压超超过20V时，该该IC就会关关断，，直到到电源源重新新上电电，从从而起起到输输出开开路保保护的的作用用。有的IC没有OV脚，此此种情情况需需在输输出端端加一一个齐齐纳二二极管，利利用它它的击击穿来来保护护内部部的开开关管管，如如下图图：背光驱驱动并联型型驱动动电路路虽然串串联型型电路路具有有电流流匹配配度高高和效效率高高的优优点，，但是其整整体的的方案案中需需要一一个功功率电电感和和和一一个大大的肖肖特基基二极管，，这些些使得得其综综合成成本和和并联联型驱驱动电电路相相比没没有太太大优势。。同同时所所需贴贴片电电感尺尺寸比比较大大，而而且处处理不不好的的话容容易产生生EMI问题，，所以以当前前手机机上用用的背背光驱驱动电电路以以并联联型电路路为主主。早期的的并联联式驱驱动电电路只只是解解决了了LED所需要要的电电压问问题，它它把电电池电电压统统一通通过电电荷泵泵的方方式升升压到到5V或者4.5V的这样样一个个固定定的电电压，，然后后每一一个LED通过串串联一一定的的电阻阻值值来控控制LED的电流流。下面先先简要要说明明电荷荷泵的的升压压原理理。背光驱驱动电荷泵泵升压压原理理电荷泵泵即通通常我我们看看到的的chargepump，是DC/DC的一种，属属于电电容式式DC/DC，它的的原理理和电电感式式DC/DC不同，，电感式DC/DC是利用用电感感来实实现升升压，，而电电荷泵泵则是是利用用电容容来实现现升压压，前前者的的EMI问题比比后者者严重重很多多，电电荷泵泵可以以升压，，也可可以降降压，，还可可以输输出反反压。。手机机背光光中用用到的的一般都是是升压压，其其升压压模式式有1X、1.5X、2X等。1X模式即即输出电压压和输输入电电压相相同，，1.5X模式即即输出出电压压是输输入电电压的的1.5倍，2X模式即输出电电压是输入电电压的2倍，下面以2X模式为例说明电荷荷泵的升压原原理。背光驱动充电放电背光驱动电荷泵基本原原理框图VOUT=2*VIN取样电阻误差放大器内部开关电荷泵的工作作状态可为两两部分：充电电和放电1)、充电状态时时，开关S1和S4闭合，S2和S3断开，Vin对Cf充电，Cout对负载供电；；2)、放电状态时时，开关S2和S3闭合，S1和S4断开，Vin和Cf串联后对负载载供电，同时时给Cout充电。输出电电压Vout=Vin+Vcf充放电的频率率取决于开关关的开关频率率，开关的开开关频率由其前级的控制制电路决定。。频率越高，，则对Cf和Cout的容值要求越小。取样样电阻取出Vout送入误差放大大器和Vref进行比较，比较后的的信号经放大大后控制Cf的充电时间及及充电电压，，以达到稳定输输出电压的目目的。背光驱动背光驱动1.5X模式原理框图图如下：电荷泵的效率率：2X模式时，=Vout/2*Vin1.5X模式时，=Vout/1.5*Vin由上式可知，，在输出电压压一定的情况况下，输入电电压越小，电荷泵的效率率越高，2X模式下效率如如下：当VIN=3.1V，VOUT=5V时，理论效率率可以达到83.3%；当VIN=4.2V,VOUT=5V时，理论效率率最高就只有有59.5%。电荷泵内部开开关工作在高高速开关状态态，所以电荷荷泵也存在EMI问题，可以在在升压电容处处测到其开关关波形，但电电荷泵的噪声相对于电电感式的DC/DC来说是很小的的。背光驱动如下图，是早早期的固定模模式并联驱动动电路，该电电路的缺点很明显，一是是当电池电压压较高时，电电路的效率太太低；二二是电流匹配度较差差。背光驱动为了解决固定定模式并联驱驱动电路的缺缺点，现在的的并联驱动电路一般采采用自适应模模式升压，并并且增加恒流流源电路。白光LED在工作电流为为20mA时前向压降一一般为3.0~3.4V，锂电池满电电的电压为4.2V，额定电压为为3.7V，所以当锂电池充充满电后，其其电压足以直直接驱动白光光LED工作，此时电荷泵电电路不工作，，电池的电压压通过一个开开关直接到Vout然后驱动LED。而随着电池池的放电，电电池电压会逐逐步降低，当降低到到一定的程度度不足以直接接驱动LED时，电荷泵电电路开始工作。。此即所谓集集成1X模式和1.5X模式的自适应应升压模式，并且在在尽可能的情情况下，让电电路工作在1X的直通模式下。此种模式式的电路成为为当今背光驱驱动的主流模模式。1X和1.5X的转换电压一一般为3.5V。背光驱动下图是某背光光IC的内部框图，，同时带电荷荷泵和恒流源源两部分电路，Vout输出的是正压压。背光驱动下图为RT9364的应用图，该该IC内部也包含了了电荷泵和恒恒流源电路，其电电荷泵输出的的是负压。背光驱动自适应模式并并联背光解决决了固定模式式并联背光的的效率和电流匹配度的问问题，但增加加了额外的电电路。随着白白光LED制造技术的提高，，其在20mA工作时的前向向压降有降低低的趋势，并并且该电压的一一致性有所提提高，致使手手机背光中白白光LED的工作电压问题成成为次要问题题，目前，在在4灯及其以下的的并联背光方案中，省掉掉电荷泵部分分电路，白光光LED直接由锂电池池驱动的恒流源模式式背光驱动产产品已经出现现，此种背光光驱动IC内部只有恒流源部部分电路，效效率比较高，，但此种IC在电池电压较较低时（3.4V以下），理论论上会出现白白光LED变暗的问题，，但实际使用过程程中至今还没没出现该问题题。背光驱动下图为艾为的的AW9364的应用原理图图，其外围没没有电荷泵的的升压电容，属属恒流源型背背光驱动IC，每颗灯电流流为20mA时，恒流源的压降降为40mV。背光驱动此处压降为40mV下图是圣邦微微电子的SGM3127的应用原理图图，该IC也属于恒流源型背光光驱动，其电电路更加精简简，IC只有6个引脚，EN脚即当使能脚脚用同时也是是IC的电源管脚。。背光驱动恒流流源源型型背背光光驱驱动动虽虽然然性性价价比比比比较较高高，，但但在在手手机机行行业业激激烈烈的竞竞争争中中，，其其价价格格还还是是显显得得较较高高，，所所以以在在成成本本要要求求很很高高的的方方案中中，，直直接接用用LDO来做做背背光光驱驱动动，，目目前前的的LDO输出出电电流流一一般般都能能达达到到300mA，用用来来做做背背光光驱驱动动已已足足够够。。该该背背光光驱驱动动解解决决方案案的的缺缺点点也也是是显显而而易易见见的的：：背背光光不不能能调调节节，，电电流流匹匹配配度度不不高，，但但以以其其较较低低的的价价格格优优势势，，该该解解决决方方案案也也有有一一定定的的市市场场。。背光光驱驱动动背光光LED亮度度调调节节方方法法目前前手手机机上上常常用用的的背背光光LED亮度度调调节节方方法法有有两两种种，，一一种种是是PWM调光光，，另另一一种种是是数数字字脉脉冲冲调调光光。。PWM(PulseWidthModulation)即脉脉冲冲宽宽度度调调制制，，该该调调光光技术术是是一一种种利利用用PWM信号号的的占占空空比比来来调调节节背背光光亮亮度度的的调调光光方方法，，其其信信号号的的频频率率和和占占空空比比都都可可以以通通过过软软件件进进行行设设置置。。一一般般通过过硬硬件件设设置置通通过过LED的最最大大电电流流Imax，然然后后通通过过设设置置PWM的占占空空比比来来调调节节实实际际流流过过LED的电电流流，，占占空空比比为为100%时，，流流过LED的实实际际电电流流即即为为Imax，占占空空比比为为50%时，，流流过过LED的实际际电电流流即即为为Imax的50%。一般般使使用用三三角角波波或或锯锯齿齿波波做做载载波波，，调调制制信信号号可可以以是是正正弦弦信信号也也可可以以是是直直流流信信号号，，在在手手机机背背光光调调节节中中该该调调制制信信号号是是直直流流信号号，，改改变变直直流流信信号号的的电电压压，，可可以以改改变变PWM信号号的的脉脉宽宽，，改改变载载波波信信号号的的频频率率，，可可以以改改变变PWM信号号的的频频率率。。背光光驱驱动动数字字脉脉冲冲调调光光是是一一种种利利用用脉脉冲冲个个数数的的不不同同来来实实现现背背光光调调节节的的调光光方方法法，，此此种种方方法法占占用用一一个个普普通通的的GPIO口，，调调光光时时通通过过向向背光光IC的EN端口口发发送送相相应应个个数数的的脉脉冲冲来来实实现现相相应应阶阶数数的的背背光光调调节，，一一般般有有16阶可可调调，，所所发发脉脉冲冲要要满满足足IC相应应的的要要求求。。下图图为为某某IC对脉脉冲冲的的相相应应要要求求，，EN脚是是芯芯片片的的使使能能引引脚脚，，所以以EN脚的的第第一一个个高高脉脉冲冲保保持持时时间间需需要要大大于于20us，以以打打开开该该IC，在在LED电流流大大小小设设置置完完成成后后，，EN引脚脚需需保保持持高高电电平平。。同同时当当低低脉脉冲冲保保持持时时间间大大于于2ms时，，该该IC关闭闭。。背光光驱驱动动案例例分分析析案例例一一：：M280-B上出出现现无无规规律律死死机机问问题题分析析：：该该项项目目用用的的背背光光IC为AAT3195，其其调调光光模模式式是是数数字字脉冲冲调调光光，，在在使使用用该该方方式式发发送送脉脉冲冲调调节节背背光光时时，，原原则上需要屏蔽蔽中断，以防防止脉冲发送送过程中有中中断到来而打断脉脉冲发送，导导致背光调节节失败。但MTK手机系统屏蔽蔽中断的时间间有个限制，，不能超过60*12/13us=5