創(chuàng)新節(jié)能技術(shù)助制造商設(shè)計(jì)出媒體豐富的手機(jī)產(chǎn)品

移動設(shè)備曾有一段時(shí)間使用黑白顯示器，其背光使用兩個(gè)綠色發(fā)光二極管，背光功耗僅占移動設(shè)備總功耗的10%。而今，多媒體設(shè)備使用面積更大、清晰度更高的彩色顯示器，顯示器使用的時(shí)間也增長了，背光功耗已提高到總功耗的50%以上。

盡管電池技術(shù)取得了一些新進(jìn)展，但電池容量的增加速度跟不上多媒體移動設(shè)備能量需求的增加。由于電池技術(shù)的進(jìn)步跟不上電池使用需求，因此便攜設(shè)備制造商難以滿足消費(fèi)者的期望，除非開發(fā)出降低功耗或提高電池容量的新方法，否則增加新功能就不可避免地會縮短電池使用時(shí)間。

除了基于時(shí)間的調(diào)光、顯示器暫停和亮度設(shè)置(由用戶設(shè)定)等方法外，許多移動設(shè)備制造商正在采用環(huán)境光線感應(yīng)(ALS)、內(nèi)容自適應(yīng)背光控制(cABC)和鍵盤/GPIO擴(kuò)展器來減少電流消耗。

對于大多數(shù)便攜設(shè)備制造商來說，顯示器背光成為導(dǎo)致電池很快耗盡的最主要原因之一。帶有高分辨率彩色顯示器的媒體密集型設(shè)備要求顯示器在任何時(shí)候都有適當(dāng)?shù)恼彰?，以免降低光學(xué)性能和可讀性。

盡管需要持續(xù)提供背光且功耗相對較高，高品質(zhì)的透射式顯示器仍受到移動設(shè)備制造商的青睞。與反射式顯示器相比，其室內(nèi)性能、NTSC(美國國家電視標(biāo)準(zhǔn)委員會)色彩飽和度、高對比度和高亮度更勝一籌。要降低背光功耗，必須盡可能嚴(yán)格地控制和管理背光強(qiáng)度。

雖然在不工作時(shí)進(jìn)行背光調(diào)光可節(jié)省功率，但由于許多設(shè)備包含Web瀏覽、電子郵件、GPS導(dǎo)航、游戲或視頻播放等功能，要求在長時(shí)間的用戶互動期間保持背光。

一種方式是通過產(chǎn)品設(shè)置菜單中的亮度控制來調(diào)節(jié)背光強(qiáng)度，以在使用這些功能期間節(jié)省功率，但這種方式需要用戶輸入信息并需針對不同的環(huán)境光線條件更改設(shè)置，才能切實(shí)獲得節(jié)電效果。這些方法對用戶并不實(shí)用，也不足以滿足今天的密集且獨(dú)特的使用情形的需求。

環(huán)境光線感應(yīng)(ALS)
液晶顯示屏或鍵盤所需要的背光量隨光線條件的改變而有很大變化。環(huán)境光線感應(yīng)依靠光電二極管或晶體管來測量局部光線強(qiáng)度。光源可以是太陽、辦公室燈光或月光。傳感器把捕獲的光亮度轉(zhuǎn)變成電流或電壓，背光驅(qū)動器或處理器可基于預(yù)設(shè)的閾值決定液晶顯示器或鍵盤要求多少背光。

在暗光條件下，用晴天所需的大電流來驅(qū)動顯示器背光，不但浪費(fèi)能量且可導(dǎo)致黑暗條件下的眼球緊張。相對于在明亮條件下對典型使用情形驅(qū)動背光LED所需的電流，根據(jù)環(huán)境光線條件改變背光強(qiáng)度可節(jié)省電流60%以上。

ALS實(shí)現(xiàn)方法
一些制造商使用模擬或數(shù)字光傳感器IC來檢測環(huán)境光。模擬光傳感器把光線轉(zhuǎn)換成電流，而數(shù)字光傳感器使用內(nèi)部ADC產(chǎn)生數(shù)字比特流。由于實(shí)現(xiàn)簡單，模擬光傳感器較為便宜。

無論使用哪種傳感器，都需要對輸出進(jìn)行解碼以便使用。許多設(shè)計(jì)使用主處理器，完成傳感器輸出解碼和背光控制。但是，主處理器必須足夠快，才能提供多媒體功能，其較高的速度和帶寬也意味著在實(shí)現(xiàn)ALS輪詢功能時(shí)有較大的電流消耗。因此，要降低電池消耗，必須最大限度地減少處理器的參與。

有些IC集成了光輸入解碼和背光驅(qū)動控制功能。在背光驅(qū)動器中集成光傳感器有幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：首先，驅(qū)動器使用簡單的狀態(tài)機(jī)來完成任務(wù)，使解碼和背光控制所需的電流減少到不到20μA；其次，一切都在一個(gè)封裝中，在PCB布局中減少了連接和引線的數(shù)量；第三，最大限度地減少了在背光驅(qū)動器和主處理器之間的通信。

為向手機(jī)制造商提供更大的靈活性，這些集成器件可通過編程來設(shè)置閾值、遲滯和濾波時(shí)間。由于產(chǎn)品的機(jī)械設(shè)計(jì)都各不相同，要求智能驅(qū)動器具有足夠的靈活性來處理所有條件?？删幊涕撝凳故謾C(jī)制造商可對光線輸入范圍(如白天、辦公環(huán)境或黑暗環(huán)境)編程，對每個(gè)閾值設(shè)置的遲滯可防止背光來回跳變。濾波時(shí)間讓用戶在進(jìn)行背光調(diào)整之前，可以設(shè)定手機(jī)在某個(gè)照明環(huán)境中所保持的時(shí)間。這些調(diào)整可方便地提供手機(jī)制造商所需的靈活性，以修正不同產(chǎn)品之間的參數(shù)差異。

圖1  內(nèi)置光傳感器輸入和微型鍵盤/ GPIO擴(kuò)展器的背光驅(qū)動器

顯示器背光分析
顯示器背光使用6個(gè)用18mA電流驅(qū)動的LED串，從電池吸取111mA(假定LED正向電壓為3.5V，驅(qū)動器效率為85%，電池電壓4V)。因此，如果一直以最大強(qiáng)度驅(qū)動，僅顯示器背光就將在9.9h內(nèi)消耗1100mA.h的電量。

顯示器并非在所有條件下都需最大強(qiáng)度的背光照明，在環(huán)境光線較弱時(shí)(如在辦公室、電影院和室外的夜晚)可降低照明強(qiáng)度，從而節(jié)省大量的能量。

晴天的亮度范圍為32000～100000lux，比明亮辦公室400lux的亮度大2個(gè)數(shù)量級。因此，當(dāng)從室外進(jìn)入室內(nèi)時(shí)，把背光強(qiáng)度減少一半甚至更多將不會對顯示器的可用性或可讀性造成任何損害。由于大多數(shù)人60%的時(shí)間在辦公室里，這個(gè)背光亮度削減約可減少50%以上的電流消耗。對于前面的例子，背光功耗將由111mA降低到55.5mA。使用ALS，對同樣的顯示器，電量為1100mA.h的電池的使用時(shí)間將延長到19.8h。

內(nèi)容自適應(yīng)背光控制(cABC)
如圖2所示，內(nèi)容自適應(yīng)背光控制(cABC)是一種分析顯示內(nèi)容并根據(jù)圖像的灰度使用伽瑪校正技術(shù)調(diào)整顯示器背光的方法。顯示驅(qū)動器把PWM波形輸出到背光驅(qū)動器，并根據(jù)視頻內(nèi)容灰度和使用伽瑪校正來改變占空比，對黑暗圖像降低背光。在保持逼真的顯示效果的同時(shí)，該技術(shù)降低了背光功耗并提高了顯示對比度。這種方法在視頻播放時(shí)尤其有用，因?yàn)楫嬅婵赡軙?jīng)過較長時(shí)間才從亮變到暗。cABC還可以減少靜態(tài)圖像和標(biāo)準(zhǔn)菜單屏幕的電流消耗。

圖2  內(nèi)容自適應(yīng)背光控制(cABC)

可通過修改移動產(chǎn)品的用戶界面來利用這些節(jié)省方法。隨圖像數(shù)據(jù)的不同，cABC可以把顯示功耗降低20%〜50%。如果與ALS相結(jié)合，能量節(jié)省幅度可超過70%。IC制造商已經(jīng)在IC設(shè)計(jì)中利用cABC與ALS相結(jié)合帶來的功率節(jié)省。

鍵盤背光
除顯示器背光之外，ALS還可以節(jié)省鍵盤背光功耗。大多數(shù)鍵盤有一個(gè)可視的絲網(wǎng)，當(dāng)有足夠的環(huán)境光可用時(shí)，鍵盤不需要背光。對于一般尺寸的鍵盤，基于LED或電致發(fā)光燈(EL)技術(shù)的背光從電池汲取約30mA電流。如果沒有ALS，鍵盤必須在任何時(shí)候都打背光，消耗大量的能量。利用ALS，背光驅(qū)動器可以關(guān)閉或調(diào)暗鍵盤背光從而節(jié)省數(shù)百mA.h的能量。帶有集成ALS控制的背光驅(qū)動器在光線變化時(shí)以中斷方式通知處理器，以便改變鍵盤或其他外設(shè)照明。

在用1100mA.h電池、111mA背光電流的顯示器可以播放7h視頻的設(shè)備上，視頻模式功耗占總功耗的70%。依靠ALS可把顯示器背光電流消耗削減一半，視頻播放時(shí)間將從7h延長到10.8h。表1給出了在不同照明環(huán)境下ALS帶來的能量節(jié)省。前例中的顯示器和鍵盤背光在背光強(qiáng)度最大時(shí)汲取141mA的電流。在白天，鍵盤背光可完全關(guān)閉并節(jié)省21%的背光電流。真正的電流消耗節(jié)省是在辦公室和黑暗環(huán)境中。在辦公室環(huán)境，顯示器背光電流可削減50%而沒有明顯的顯示質(zhì)量下降，且同樣無須鍵盤背光就可看清鍵盤。依靠ALS實(shí)現(xiàn)，總的背光電流消耗可減少61%。在黑暗環(huán)境，合理地減弱鍵盤背光并在黑暗環(huán)境中保持充分大的電流，可把顯示器背光電流降低到24mA，總的背光電流消耗可減少62%。

表1 在不同亮度環(huán)境下ALS對背光電流消耗
的影響比較

GPIO/鍵盤擴(kuò)展器
為了更好地利用電池的每mA.h電量，必須尋找所有可能的節(jié)能方法。近年來，短信量增加了100倍。青少年向朋友和親人發(fā)短信的次數(shù)比在手機(jī)上談話還要多。雖然沒有像背光那樣大的功耗，但每次擊鍵都會喚醒應(yīng)用處理器，在幾ms時(shí)間內(nèi)消耗幾mA電流。每天數(shù)千次按鍵累加起來可使耗流量迅速增加，進(jìn)而消耗幾十mA.h的電池容量。為提高處理器帶寬和減少處理器耗電，在QWERTY蜂窩電話設(shè)計(jì)中，手機(jī)設(shè)計(jì)人員依靠鍵盤擴(kuò)展器來處理鍵盤。鍵盤擴(kuò)展器處理所有按鍵，從而節(jié)省處理器帶寬和降低耗流。鎖鍵功能和光傳感器解碼等功能也集成在IC中，從而節(jié)省更多的帶寬和功耗。