手机背光驱动的原理与应用

手机背光驱动的原理与应用

背光驱动

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。导光敏————--接受光源，引导光的散射方向一背光胶架——支撑导光板和所有膜材，防止变形贴歪

—

—

—

反

射自灯管所入射的光，提高光的利用率诚

信

勤

奋

精

细

仓

亲

新模

组

的

大

概

架

构

，

背

光LED

即

在

反

光

膜

之背光驱动下

图

是

手

机LCD

上，导光板之下。提高光的利用率

将反射光源均匀扩散，遮盖网点，防止

正面出现散射点上偏光片上片玻璃(CF层

)

波品下片玻璃下增光膜扩散膜

—下偏光片上增光膜FP(

背光驱动

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20

mA,Vf

一般

为

3.0~3.4

V。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

mA

或者20

mA),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3.0~3.4

V

,

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/lled若

lled=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0

V,

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20

V

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：L

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/D

C,

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。VOUT=2*VIN放

电背

光

驱

动充

电电

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Co

ut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:山收国型面当年冀

X⁹L华

税

采

鼎

背光驱动

电荷泵的效率：2X

模式时，

η

=Vout/2*Vin1.5X

模

式时，

η=

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

。4C-VIN芯

片XSHDN单节锂离

子

电

池6C+VOUT100

Q

100Q

100

Q

100

Ω

100Ω53COUTl

μ

FCIN1μ

FoFF「ON121

μ

FGND十

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20

mA时前向压降

一

般为3.0~3.4V,

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

。REFERENCEEN1EN21u

F11VOUTISETRISET1×、1.5×CHARGE

PJMP0.47μ

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

u

FGNDERROR2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

。Li-ionBattery

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20

mA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

(3.4

V

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20

mA时，

恒流

源的

压降为40

mV。2.8V

to

5.5VAW9364LED1LED2LED3LED4AGND此

处压

降

为40

mVPulse-SS-2Inputn≤16PGNDVIN1uF十ENViNLED1LED2LED3

LED4EN

SGM3127GND

背光驱动

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。CIN0.1μFPWM

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300

mA,

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20

us

,

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。20us<ToN0.5us<THI

0.5us<TLo<500us2ms<TsHDNEN16/16

6

12/16ILED23

414/1616/163/165/165

61/161615

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