智能手機(jī)的背光驅(qū)動(dòng)選擇策略

過去的一年是中國的手機(jī)行業(yè)發(fā)生深刻變化的一年，傳統(tǒng)的功能手機(jī)市場急劇萎縮，而智能機(jī)和類智能機(jī)成為行業(yè)新寵，并在未來會(huì)逐漸成為市場主流。

另外，3G時(shí)代重應(yīng)用，大屏幕的智能機(jī)和類智能機(jī)的走俏也順應(yīng)了這一趨勢，對于視頻、動(dòng)漫游戲、手機(jī)閱讀等應(yīng)用來說，大屏幕成為必不可少的配置，從用戶的使用體驗(yàn)來看，3.0~4.3英寸是比較適合的屏幕尺寸，這個(gè)尺寸的LCD屏一般需要5~10顆WLED來為其提供背光光源。另外手機(jī)LCD屏尺寸變大的同時(shí)，SLCD屏、AVS屏、IPS硬屏等高清高亮屏不斷出現(xiàn)并逐漸成為智能機(jī)和類智能機(jī)的標(biāo)配。分辨率的提升可以讓顯示的畫面更細(xì)膩，而亮度的提升可以使屏幕的畫面更加通透，讓用戶感覺屏幕的色彩表現(xiàn)更加出色。提高亮度通常需要增加更多的背光WLED來實(shí)現(xiàn)。對于3.7英寸的LCD屏來說，普通200流明的亮度可能只需要6顆WLED背光，但高亮屏需要300流明或者500流明的亮度，就需要7顆甚至8顆WLED背光。

如何為智能機(jī)和類智能機(jī)選擇合適的背光驅(qū)動(dòng)方案，是設(shè)計(jì)人員當(dāng)前和未來需要考慮的問題。手機(jī)背光驅(qū)動(dòng)芯片按架構(gòu)分主要有：自適應(yīng)電荷泵升壓型、低壓降恒流型和電感升壓型等，不同的架構(gòu)有各自的優(yōu)缺點(diǎn)，本文以設(shè)計(jì)人員普遍關(guān)注的幾個(gè)主要問題入手，并提出了這些問題的幾種不同解決方案以及幾種方案的優(yōu)勢對比，希望能從這些方案中幫助設(shè)計(jì)人員選擇合適的背光驅(qū)動(dòng)方案。

大屏幕尺寸手機(jī)背光面臨的主要問題及解決方案

噪聲輻射問題

手機(jī)系統(tǒng)是在一個(gè)狹小的空間內(nèi)集成度非常高的系統(tǒng)，系統(tǒng)內(nèi)各模塊之間的互相干擾一直是讓廣大設(shè)計(jì)人員頭疼的問題，也是背光驅(qū)動(dòng)模塊碰到的最難解決的問題。如果設(shè)計(jì)考慮不充分，背光驅(qū)動(dòng)模塊工作時(shí)可能會(huì)產(chǎn)生一些噪聲輻射而干擾到射等頻模塊信號的靈敏度，比如會(huì)干擾手機(jī)信號的靈敏度或者影響GPS導(dǎo)航信號的靈敏度，干擾嚴(yán)重的可能會(huì)出現(xiàn)手機(jī)信號掉網(wǎng)、GPS導(dǎo)航系統(tǒng)找不到導(dǎo)航衛(wèi)星的問題。

表1.不同類型背光驅(qū)動(dòng)的噪聲輻射。

這三種背光驅(qū)動(dòng)類型中，低壓降恒流型架構(gòu)由于是線性電路，幾乎不會(huì)產(chǎn)生噪聲，自適應(yīng)電荷泵型背光驅(qū)動(dòng)和電感升壓型背光驅(qū)動(dòng)的電源、地線和輸出等大功率信號的波動(dòng)會(huì)通過PCB的寄生產(chǎn)生耦合噪聲，這些耦合噪聲可通過在芯片設(shè)計(jì)時(shí)芯片內(nèi)部關(guān)鍵的大功率信號的信號沿的處理和外部的耦合電容將耦合噪聲減小對系統(tǒng)其他模塊的影響至最小。

電感升壓型背光驅(qū)動(dòng)的電感上產(chǎn)生的EMI輻射噪聲是最嚴(yán)重的噪聲輻射，而且很難通過背光驅(qū)動(dòng)芯片設(shè)計(jì)時(shí)內(nèi)部處理或者外圍器件來減小的，手機(jī)設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)時(shí)需要將射頻模塊遠(yuǎn)離電感升壓型背光驅(qū)動(dòng)模塊。部分設(shè)計(jì)人員為了減小電感的EMI輻射影響，會(huì)將電感升壓型背光驅(qū)動(dòng)及其外圍器件包括電感都放在屏蔽罩內(nèi)，這樣雖然能減小EMI輻射的影響，但電感的高度會(huì)增加屏蔽罩的高度，對設(shè)計(jì)超薄智能機(jī)帶來很大難度。

從噪聲輻射影響的角度來看，低壓降恒流型背光驅(qū)動(dòng)的噪聲性能最優(yōu)，自適應(yīng)電荷泵型背光驅(qū)動(dòng)噪聲性能次之，而電感升壓型背光驅(qū)動(dòng)的噪聲性能最差，設(shè)計(jì)時(shí)需要特別注意。

占板面積、空間及成本問題

手機(jī)的PCB器件布局及面積一直是手機(jī)PCB設(shè)計(jì)的一個(gè)嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，而且這個(gè)挑戰(zhàn)隨著手機(jī)功能越豐富也越嚴(yán)峻。通常應(yīng)對占板面積挑戰(zhàn)的主要方法是采用集成度更高的手機(jī)芯片盡可能減少外圍器件數(shù)量和選用尺寸更小的外圍器件。

對于背光驅(qū)動(dòng)模塊來說，背光驅(qū)動(dòng)芯片和外圍器件的封裝尺寸決定了背光驅(qū)動(dòng)模塊的占板面積，圖1是分別是10路輸出的采用電感升壓型背光驅(qū)動(dòng)和上海艾為的一款最新的四模分?jǐn)?shù)倍電荷泵背光驅(qū)動(dòng)AW9670QNR以及8路輸出的低壓降恒流型背光驅(qū)動(dòng)AW9358QNR三種背光驅(qū)動(dòng)模塊的PCBlayout對比圖。

圖1.三種不同類型背光驅(qū)動(dòng)PCBLayout面積對比。

從圖1中可以看到，電感升壓型背光驅(qū)動(dòng)模塊由于要使用電感、肖特基二極管和高耐壓的MLCC電容，而這些器件的封裝尺寸都相對較大，而AW9670QNR和AW9358QNR外圍分別只需要4個(gè)和1個(gè)0402的MLCC電容，所以電感升壓型背光驅(qū)動(dòng)的PCBLayout面積要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于AW9670QNR和AW9358QNR的PCBLayout面積。電感升壓型背光驅(qū)動(dòng)模塊PCBLayout面積是AW9670QNR背光驅(qū)動(dòng)模塊面積的2.3倍、AW9358QNR背光驅(qū)動(dòng)模塊面積的3.9倍！

轉(zhuǎn)換效率

手機(jī)屏幕的尺寸越來越大，手機(jī)屏幕的背光功耗越來越是手機(jī)設(shè)計(jì)人員關(guān)心的一個(gè)問題。為了盡可能的延長手機(jī)的工作時(shí)間，手機(jī)設(shè)計(jì)人員會(huì)越來越關(guān)心背光驅(qū)動(dòng)的轉(zhuǎn)換效率。自適應(yīng)電荷泵技術(shù)在持續(xù)發(fā)展，尤其是分?jǐn)?shù)倍電荷泵技術(shù)的采用，使得自適應(yīng)電荷泵架構(gòu)的背光驅(qū)動(dòng)效率越來越高。圖2是上海艾為的AW9670QNR與一款同是10路輸出的電感升壓型背光驅(qū)動(dòng)輸出20mA時(shí)的效率曲線對比圖。

圖2.20mA輸出的四模分?jǐn)?shù)電荷泵與電感升壓型背光驅(qū)動(dòng)效率曲線對比圖。

從圖2中可以看到，輸入電壓在3.0~4.2V的手機(jī)應(yīng)用場合，電感升壓型背光驅(qū)動(dòng)的轉(zhuǎn)換效率（藍(lán)色曲線）和AW9670QNR的轉(zhuǎn)換效率（紫紅色曲線）基本上接近，平均效率都接近80%.若亮度變暗，LED電流減小，四模分?jǐn)?shù)倍電荷泵背光驅(qū)動(dòng)的轉(zhuǎn)換效率會(huì)進(jìn)一步提高，而電感升壓型背光驅(qū)動(dòng)的轉(zhuǎn)換效率卻隨電流變小而減小，圖3是10mA輸出時(shí)電感升壓型背光驅(qū)動(dòng)和AW9670QNR的轉(zhuǎn)換效率曲線對比圖，由于AW9670QNR大部分時(shí)間都是工作在高效率的1倍模式，轉(zhuǎn)換效率要明顯高于電感升壓型背光驅(qū)動(dòng)的轉(zhuǎn)換效率。

圖3.10mA輸出的四模分?jǐn)?shù)電荷泵與電感升壓型背光驅(qū)動(dòng)效率曲線對比圖。

散熱問題

手機(jī)基帶芯片的主頻不斷提高、增加的功能越來越多，手機(jī)的功耗越來越大，散熱問題越來越成為手機(jī)設(shè)計(jì)人員在產(chǎn)品設(shè)計(jì)的初期需要認(rèn)真考慮的一個(gè)關(guān)鍵問題。

手機(jī)的熱設(shè)計(jì)需要對主要熱源器件進(jìn)行功耗分析、計(jì)算熱源器件的熱距離布局面積以及環(huán)境溫度分析等。PCB布局時(shí)需要遵循一些基本的熱設(shè)計(jì)原則，比如發(fā)熱較高的器件盡量不放在PCB的角落或者邊緣，增加高發(fā)熱器件下面的鋪地層面積、增加屏蔽罩等。

由于手機(jī)屏幕的不斷增大，手機(jī)背光模塊的功耗占手機(jī)整體功耗的比例也越來越大，手機(jī)設(shè)計(jì)人員也需要在產(chǎn)品設(shè)計(jì)初期考慮背光驅(qū)動(dòng)模塊的熱設(shè)計(jì)。除了背光驅(qū)動(dòng)模的PCB熱設(shè)計(jì)考慮和選擇效率更高的背光驅(qū)動(dòng)芯片外，手機(jī)設(shè)計(jì)人員在選擇背光驅(qū)動(dòng)芯片時(shí)還需要特別背光驅(qū)動(dòng)芯片的封裝熱阻。

芯片的封裝熱阻是衡量封裝將管芯產(chǎn)生的熱量傳導(dǎo)至電路板或周圍環(huán)境的能力的一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)。封裝熱阻和封裝材料（引線框架、模塑材料、管芯粘接材料）、封裝設(shè)計(jì)（管芯厚度、裸焊盤、內(nèi)部散熱過孔、所用金屬材料的熱傳導(dǎo)率）有關(guān)。封裝熱阻越大，則表示芯片內(nèi)部的熱不容易傳導(dǎo)，芯片的溫度越高。芯片封裝熱阻一般用θJA來表示，單位是℃/W,芯片封裝熱阻的計(jì)算公式為：

θJA=（TJ-TA）/PD

其中TJ為芯片結(jié)溫，TA為環(huán)境溫度，PD為芯片內(nèi)部功耗。已知芯片的封裝熱阻，則可以根據(jù)芯片內(nèi)部的功耗和環(huán)境溫度算出芯片的結(jié)溫。例如一個(gè)芯片的封裝熱阻為100℃/W,環(huán)境溫度為25℃時(shí)，若芯片內(nèi)部功耗為1W,則芯片的結(jié)溫和環(huán)境溫度差別是100℃，芯片結(jié)溫為125℃。

背光驅(qū)動(dòng)芯片常見的封裝和封裝熱阻如表2:

表2.背光驅(qū)動(dòng)常見封裝形式及封裝熱阻。

由于沒有散熱片，SOT23-5L（6L）封裝的封裝熱阻要遠(yuǎn)大于其他四種封裝的封裝熱阻，芯片結(jié)溫明顯要高于其他四種封裝。比如在環(huán)境溫度為25℃時(shí)，對于輸出驅(qū)動(dòng)10顆LED,輸出功率大致在0.6W左右（LED導(dǎo)通壓降3.0V,每路LED電流為20mA），若轉(zhuǎn)換效率為75%,則芯片內(nèi)部功耗為0.2W,四種封裝結(jié)溫分別為77℃、40.2℃、35.4℃和34℃。相比采用SOT23-5L（6L）封裝技術(shù)的電感升壓型背光，采用DFN2x2-8L的電感升壓型背光和并聯(lián)背光驅(qū)動(dòng)的芯片結(jié)溫優(yōu)勢更明顯。

上海艾為的智能機(jī)和類智能機(jī)背光驅(qū)動(dòng)系列

上海艾為的背光驅(qū)動(dòng)產(chǎn)品線是業(yè)界最豐富的產(chǎn)品線之一，針對智能機(jī)和類智能機(jī)的背光驅(qū)動(dòng)主要產(chǎn)品見表3.

表3.艾為智能背光驅(qū)動(dòng)系列。

AW9910STR/DRN和AW9920STR/DNR是上海艾為全新的電感升壓型背光驅(qū)動(dòng)，采用艾為獨(dú)創(chuàng)的EMI抑制技術(shù)、PWM轉(zhuǎn)恒流調(diào)光技術(shù)最大程度減小噪聲輻射，集成恒流控制和恒壓控制雙環(huán)路相比傳統(tǒng)的單電壓控制環(huán)路，LED的恒流輸出電流更穩(wěn)定，不易受干擾。AW9910和AW9920均同時(shí)支持SOT23-5L封裝和封裝熱阻更小的DFN2x2-8L封裝。AW9670QNR、AW9358QNR和AW9920DNR的典型應(yīng)用圖分別如圖4、圖5和圖6所示。

圖4.AW9670QNR典型應(yīng)用圖。

圖5.AW9358QNR典型應(yīng)用圖。

圖6.AW9920典型應(yīng)用圖。

總結(jié)

智能機(jī)和類智能機(jī)的興起使大屏和高清高亮屏成為手機(jī)屏幕的主流，本文從手機(jī)設(shè)計(jì)人員普遍關(guān)心的幾個(gè)問題入手，討論了智能時(shí)代手機(jī)背光驅(qū)動(dòng)面臨一些問題和挑戰(zhàn)，并對這些挑戰(zhàn)提出了相應(yīng)的應(yīng)對措施和解決方案，以幫助設(shè)計(jì)人員設(shè)計(jì)出能滿足性能更優(yōu)、占板面積更小、可靠性更高的智能機(jī)背光驅(qū)動(dòng)模塊。