如何加強(qiáng)背光照明

如今，大部分便攜式設(shè)備尤其是移動(dòng)電話中的鍵盤背光照明以及其他裝飾燈都傾向于采用個(gè)性的設(shè)計(jì)方式。然而，顯示屏的背光和鍵盤的背光在要求上是不同的，而且這分別會(huì)影響到相關(guān)LED的驅(qū)動(dòng)方法。

 

現(xiàn)在大部分的便攜式電子產(chǎn)品，如移動(dòng)電話、個(gè)人電子手帳、導(dǎo)航系統(tǒng)等，都擁有一個(gè)需要背光照明的小型LCD顯示屏作為用戶界面。人們用這些設(shè)備來觀看高分辨率的相片、影片和上網(wǎng)瀏覽的時(shí)間亦越來越長(zhǎng)。這樣，人們對(duì)具備媒體存儲(chǔ)能力的高質(zhì)亮顯示屏的需求變得越來越強(qiáng)烈，對(duì)背光LED和驅(qū)動(dòng)器技術(shù)的挑戰(zhàn)也就越大?，F(xiàn)今，雖然白光照明LED主導(dǎo)了市場(chǎng)，但新涌現(xiàn)的紅綠藍(lán)(RGB)背光可改良顯示屏上的色彩飽和度，因此前景無限。

LED和鋰離子電池的改變將會(huì)影響背光驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)。并且，在便攜式設(shè)備上增加LED的數(shù)目會(huì)造成LED驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)上的挑戰(zhàn)。最常見的挑戰(zhàn)包括電源效率、控制界面/可編程能力、方案的大小尺寸、電磁干擾(EMI)和系統(tǒng)成本等。

亮度控制

背光照明LED的亮度控制可經(jīng)由脈沖寬度調(diào)變(PWM)或恒流控制來實(shí)現(xiàn)。PWM亮度控制需動(dòng)用一個(gè)恒流驅(qū)動(dòng)器來驅(qū)動(dòng)LED，但需要調(diào)節(jié)開/關(guān)時(shí)間才能達(dá)到所需的光度。因此PWM控制比直接的恒流控制更加復(fù)雜。

恒流控制的好處是沒有了連續(xù)的開關(guān)動(dòng)作，因此進(jìn)行亮度調(diào)校時(shí)，由LED色譜位移而引致的EMI較低。LED制造商將LED按照“群集電流”來分組，并確保LED的表現(xiàn)不會(huì)降低。當(dāng)群集電流改變時(shí)，LED的亮度變化會(huì)多于設(shè)定的規(guī)格，因此肉眼能分辨出背光照明LED之間的不同亮度。當(dāng)使用很低的電流時(shí)，上述情況尤其明顯。

如果使用PWM來控制亮度，那亮度調(diào)節(jié)便會(huì)在整個(gè)范圍內(nèi)呈線性，而且被調(diào)節(jié)時(shí)不會(huì)產(chǎn)生顏色上的變化。不過，PWM的變換會(huì)產(chǎn)生電磁干擾和可聽得到的噪聲。該噪聲是由陶瓷電容器的壓電效應(yīng)所產(chǎn)生。為了免除這可聽噪聲，PWM的頻率必須高至人耳收聽不到的水平，如20kHz。另外一個(gè)方法便是使用很低的頻率，令應(yīng)用中的電容器和電路板不會(huì)產(chǎn)生共鳴，并保證不會(huì)產(chǎn)生出可聽到的“啪啪”聲(如250Hz)。通過減慢PWM控制的上升/下降沿可有助削減電磁干擾的強(qiáng)度。

背光照明驅(qū)動(dòng)器的拓?fù)?br />
驅(qū)動(dòng)器拓?fù)淇梢苑譃椴⒙?lián)和串聯(lián)兩種。當(dāng)每一個(gè)LED均需要做個(gè)別控制時(shí)，會(huì)使用并聯(lián)驅(qū)動(dòng)。在背光照明的應(yīng)用中，所有LED的亮度應(yīng)該是一致的。但如果使用并聯(lián)驅(qū)動(dòng)器，LED電流之間可能會(huì)出現(xiàn)輕微的失配。幸而，配合最新的驅(qū)動(dòng)器后，這種電流失配就變得微不足道了。因?yàn)檫@些LED的典型亮度容差一般比輸出電流中的失配大很多。

當(dāng)背光照明LED串聯(lián)在一起時(shí)，相同的電流會(huì)流通所有LED，使得LED電流間出現(xiàn)百分百的匹配。此外，采用串聯(lián)驅(qū)動(dòng)后無須為每個(gè)LED進(jìn)行個(gè)別的驅(qū)動(dòng)器布線，所以PCB布線變得更容易。由于驅(qū)動(dòng)器輸出的正向電壓已考慮到了數(shù)個(gè)LED，因此串聯(lián)驅(qū)動(dòng)法比并聯(lián)驅(qū)動(dòng)法稍勝一籌。串聯(lián)驅(qū)動(dòng)需要高壓的升壓轉(zhuǎn)換器(如20V)來從鋰離子電池中提取足夠的電壓以驅(qū)動(dòng)數(shù)個(gè)串聯(lián)LED。

驅(qū)動(dòng)LED的最普遍方法是用低邊驅(qū)動(dòng)器輸出，LED輸出腳可作為一個(gè)恒流下沉(constantcurrentsink)。在這情況下，LED輸出和電源電壓需要獨(dú)立的布線。如采用高邊驅(qū)動(dòng)器輸出，那LED的輸出腳便成為電流源，同時(shí)只有LED接腳要布線，LED陰極則直接接地。通常，在PCB處都有一個(gè)接地面，因此無須進(jìn)行獨(dú)立的布線。圖1所示為不同驅(qū)動(dòng)方法。


圖1并聯(lián)高壓側(cè)和串聯(lián)低壓側(cè)驅(qū)動(dòng)

白光LED和電池技術(shù)

便攜式設(shè)備一般都用一枚鋰離子電池來工作，其電壓視所需的電荷介乎2.8～4.3V之間。白光LED正向電壓一般為3.5V，這是單一的鋰離子電池通常不能驅(qū)動(dòng)的，因此需要采用升壓式DC/DC轉(zhuǎn)換器。轉(zhuǎn)換器可以是電容式(電荷泵)或電感式(磁力升壓)。由于電荷泵的體積較小，一般都會(huì)用在并聯(lián)LED驅(qū)動(dòng)器上。至于磁力升壓轉(zhuǎn)換器，一般都會(huì)用于高壓的串聯(lián)驅(qū)動(dòng)器內(nèi)，原因是電荷泵技術(shù)所能達(dá)到的輸出電壓還不夠高。轉(zhuǎn)換器輸出電壓的調(diào)節(jié)可以通過LED正向電壓的感應(yīng)來自動(dòng)(適配性)履行，或者用戶可根據(jù)LED正向電壓的規(guī)格來設(shè)定一個(gè)恒壓。

未來，新型鋰離子電池和LED技術(shù)將會(huì)為L(zhǎng)ED驅(qū)動(dòng)帶來新的挑戰(zhàn)。配合最新的化學(xué)成果，電池電壓的范圍將擴(kuò)大到2.3～4.7V，而典型的白光LED正向電壓將會(huì)下降至2.9V。與此同時(shí)，輸出驅(qū)動(dòng)器的飽和電壓都會(huì)隨著下降。當(dāng)采用并聯(lián)驅(qū)動(dòng)時(shí)，要高效地驅(qū)動(dòng)一個(gè)2.9V的LED，就需要?jiǎng)佑靡粋€(gè)升降壓轉(zhuǎn)換器。圖2所示為由電池、驅(qū)動(dòng)器和LED技術(shù)的進(jìn)步所帶來的效果。


圖2電池和白光LED正向電壓的技術(shù)進(jìn)展[!--empirenews.page--]
RGBLED背光照明

一般而言，小型LCD顯示屏背光照明都是用一組白光LED來實(shí)現(xiàn)的?？墒牵褂冒坠釲ED的問題是其光譜對(duì)光復(fù)制并不是很理想。原因是白光LED其實(shí)就是在藍(lán)光LED面上加上一層黃色磷光劑。這樣便造成光譜有兩個(gè)波峰，一個(gè)在藍(lán)色而另一個(gè)在黃色。圖3給出一個(gè)典型的白光LED與RGBLED光譜比較。

圖3典型白光LED與RGBLED光譜的比較

LCD顯示屏?xí)澐譃槿齻€(gè)主色區(qū)格：紅、綠和藍(lán)，色彩是由這三種主色混合來定義。要把適合的顏色過濾到每一個(gè)色格，那便需要使用顏色過濾器。顏色過濾器會(huì)浪費(fèi)大部分的光學(xué)能量，即使在過濾后也一樣，因此穿過LCD后的色譜并不理想。如此一來，采用白光LED背光照明可以在LCD屏面上產(chǎn)生出最多75%的NTSC(美國(guó)國(guó)家電視標(biāo)準(zhǔn)委員會(huì))色彩(傳統(tǒng)LCD顯示屏上的紅色端邊處的限制尤甚)。然而，當(dāng)使用RGBLED來做LCD顯示屏的背光照明時(shí)，色彩復(fù)制可以覆蓋100%的NTSC色彩，從而令到顏色更光亮、畫質(zhì)更高。假如配合優(yōu)化的顏色過濾器，那所浪費(fèi)的能耗可比白光LED背光照明來得更少。圖4所示為一個(gè)LCD顯示屏的結(jié)構(gòu)。



圖4LCD顯示屏的構(gòu)造

使用RGB背光時(shí)，當(dāng)LED溫度改變時(shí)，驅(qū)動(dòng)器必須更正紅、綠和藍(lán)三主色間的亮度平衡，以防出現(xiàn)白點(diǎn)位移。此外，還需保證驅(qū)動(dòng)器在任何操作溫度下維持光的正確強(qiáng)度。而在補(bǔ)償方面，可以用閉環(huán)或開環(huán)形式。若使用閉環(huán)補(bǔ)償，便需采用感光器來測(cè)量白點(diǎn)和其強(qiáng)度。相反地，如使用開環(huán)補(bǔ)償，那溫度便需事先量度出來，并通過預(yù)先定義好的補(bǔ)償曲線來調(diào)節(jié)亮度的平衡。

美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體的LP5520就是RGB背光照明驅(qū)動(dòng)器的一個(gè)例子，它是一個(gè)開環(huán)補(bǔ)償式LED驅(qū)動(dòng)器。圖5所示為開環(huán)顏色補(bǔ)償?shù)脑?。其中，溫度補(bǔ)償曲線是用現(xiàn)實(shí)應(yīng)用中的RGBLED來量度的，這些曲線被編程在芯片內(nèi)部的EEPROM存儲(chǔ)器中。該芯片被集成到LCD顯示模塊上，而模塊的制造商會(huì)在生產(chǎn)時(shí)為補(bǔ)償曲線編程。此外，RGBLED背光亦可用作優(yōu)化顏色過濾器。


圖5開環(huán)顏色補(bǔ)償?shù)牟僮髟?br />
鍵盤背光照明和其他裝飾燈光

與顯示屏背光照明比較，鍵盤背光照明擁有一些特別的要求。鍵盤背光照明所要求的顏色不一定需要白色，可以是其他任何顏色。時(shí)下，便攜式設(shè)備中的鍵盤照明和其他裝飾燈的設(shè)計(jì)趨向是產(chǎn)生更多的燈光效果。顯示屏的背光控制通常都是采用淡入/淡出的開/關(guān)方式，但裝飾燈的控制則比較復(fù)雜。通過采用RGBLED作鍵盤的背光照明，只要簡(jiǎn)單地改變紅、綠和藍(lán)LED間的亮度平衡，便可改變顏色和設(shè)備的整個(gè)外觀。這樣，設(shè)計(jì)人員便可憑借軟件控制來為便攜式電話或其他便攜式設(shè)備加添獨(dú)特的個(gè)性。

對(duì)于一些復(fù)雜的照明次序，諸如不同顏色間的漸變，除了需有一個(gè)簡(jiǎn)單的生效控制接腳外，還需用到一個(gè)比較精密的控制方法。在這方面，I2C控制總線便被廣泛應(yīng)用到各式便攜式設(shè)備上，原因是它只需通過兩條電線便可為控制LED驅(qū)動(dòng)器提供很大的靈活性。再者，LED控制不會(huì)應(yīng)用I2C的所有頻寬，因?yàn)閷?shí)時(shí)控制LED的亮度會(huì)產(chǎn)生出一定程度的I2C傳輸量。

新LED驅(qū)動(dòng)器，例如美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體的LP5521，可以通過加入內(nèi)部存儲(chǔ)器和執(zhí)行核心來為有次序的照明提供最低限度的實(shí)時(shí)控制。照明次序在通電后會(huì)寫入一個(gè)內(nèi)部的存儲(chǔ)器，之后外部的觸發(fā)器接腳或I2C寫入會(huì)用來啟動(dòng)這個(gè)照明次序。當(dāng)照明次序在運(yùn)行時(shí)，無須進(jìn)行處理器的控制。例如當(dāng)電話處于備用狀態(tài)時(shí)，應(yīng)用處理器可以進(jìn)入休眠模式，但LED仍可履行復(fù)雜的照明次序。這些次序可包括時(shí)延、上下走動(dòng)、閃爍、回轉(zhuǎn)和觸發(fā)信號(hào)的收/發(fā)。

為了進(jìn)一步減低功耗，最新的LED驅(qū)動(dòng)器均擁有一個(gè)自動(dòng)節(jié)能操作模式。其中的DC/DC轉(zhuǎn)換器只有鋰離子電池的電壓不足以提供給LED時(shí)才會(huì)被啟動(dòng)。此外，當(dāng)照明次序于內(nèi)部運(yùn)行時(shí)，驅(qū)動(dòng)器還可在LED不活躍時(shí)關(guān)閉所有不需要的功能，此舉可顯著減低電流的平均消耗量。

配合微小的LED驅(qū)動(dòng)器，可創(chuàng)制出分區(qū)化照明方案，也就是說將LED驅(qū)動(dòng)器放到LED的附近。這樣，進(jìn)行PCB布線就更容易，而且還可減輕電磁干擾的問題。針對(duì)分區(qū)方案的驅(qū)動(dòng)器會(huì)設(shè)有外部的控制接腳，以用來同步化多個(gè)驅(qū)動(dòng)器，從而造出有趣的燈光效果。

對(duì)于驅(qū)動(dòng)背光照明LED而言，這里有幾種驅(qū)動(dòng)器拓?fù)?，具體選擇要視應(yīng)用而定。毫無疑問，即將出現(xiàn)的全新鋰離子電池技術(shù)和更低正向電壓的白光LED必會(huì)為驅(qū)動(dòng)器的設(shè)計(jì)帶來新的挑戰(zhàn)。

用做LCD顯示屏背光照明的RGBLED一般都會(huì)應(yīng)用在高檔的便攜式電話或其他設(shè)備上，這些應(yīng)用均要求高素質(zhì)的畫面和顏色復(fù)制。此外，配合適當(dāng)?shù)尿?qū)動(dòng)器、LED和顏色過濾器，采用RGB背光照明比白光LED更省電。

可編程性是時(shí)下最先進(jìn)的鍵盤背光照明驅(qū)動(dòng)器的一個(gè)主要功能，除了較易控制外，還能節(jié)省系統(tǒng)能耗。此外，可編程LED驅(qū)動(dòng)器還可為個(gè)人化的便攜式電話創(chuàng)造出更多有趣的燈光效果。