如何使平板電腦背光耗電減少

平板電腦市場預計將從今年的5千萬多臺，增長到2016年的2億多臺。盡管如此，現在仍然沒有標準的平板電腦架構。例如，一些平板電腦通過單節(jié)鋰離子電池來供電，而另一些則使用兩節(jié)鋰離子電池。無論使用多少節(jié)電池，所有平板電腦制造廠商都想最大化電池使用時間。顯示器的背光是平板電腦中最為耗電的系統(tǒng)之一。顯示器的尺寸從7英寸到10英寸，不一而足。最近發(fā)布的平板電腦中，背光LED的數目范圍為20到36支。本文將指導讀者如何選擇最佳的WLED驅動器和LED串配置，以在不犧牲效率和電池使用時間的情況下滿足平板電腦應用要求。

平板電腦背光要求

與筆記本電腦或者上網本一樣，平板電腦背光驅動器應用同樣基于DC/DC轉換器和接地電阻通路，以用于LED.這種應用一般具有如下一些要求：

1、RF范圍內低EMI

2、亮度高度期間無可視閃爍

3、陶瓷輸出電容壓電嗡嗡聲引起的可聽噪聲最小

4、顯示器亮度一致

5、高調光比

6、最高效率，實施最大電池使用時間

滿足第一個要求即RF范圍內低EMI相對較為容易。數年來，電源設計人員一直在為實施這個目標而努力，他們嘗試了許多方法，例如：將開關頻率和并發(fā)諧波設置在RF范圍以外，使用屏蔽電感，在合適的情況下給PCB設計最小的長度但卻使用較寬的導線，諸如此類。一些驅動器IC已經將MOSFET柵極驅動電路同分層上升時間集成，以減少RF范圍內的噪聲。

亮度調節(jié)類型極大地影響后面四個要求。使用脈寬調制（PWM）亮度調節(jié)時，LED電流在調節(jié)過程中以其最大電流水平脈沖開和關，來產生平均DC LED電流。這時，只要PWM亮度調節(jié)頻率遠高于60 Hz，背光閃爍就不那么明顯。如果使用模擬亮度調節(jié)，則閃爍就不是一個問題，因為亮度調節(jié)時LED DC電流水平降至其最大值以下。

第三個要求，即陶瓷電容的可聽噪聲最小，與驅動器的拓撲結構有關。圖1顯示了一個簡單的驅動器，其電流檢測電阻器作為LED電流的接地通路。轉換器對電流檢測電阻器的電壓進行調節(jié)，從而控制LED電流。


圖1：簡易LED驅動器

圖2顯示了集成電流阱的驅動器。該驅動器對每個電流阱的電壓進行采樣，確保轉換器能夠提供剛好足夠的功率，以維持電流阱正常工作。

與閃爍一樣，使用模擬亮度調節(jié)時不存在問題，因為輸出電容電壓只有很小的變化，以適應LED電流的微小變化。但是，如果使用PWM亮度調節(jié)，則驅動器防止輸出電容放電的方式就變得很重要。最簡單的驅動器在驅動器反饋（FB）引腳到接地之間也有一個電阻器，驅動器的轉換器有效關閉時，輸出電容在低亮度調節(jié)占空比時開始急劇放電。更為復雜的一些驅動器集成了電流阱（如圖2所示），其可以取代電流檢測電阻器。它們只需開啟吸收器以及為LED供電的DC/DC轉換器，從而移除了輸出電容的放電和再充電通路。


圖2：集成電流阱的LED驅動器

第四個要求，即一致的顯示器亮度，可通過精確匹配所有串的LED電流完美實現。集成電流阱驅動器的關鍵特性是串之間的極精確匹配。就無集成電流阱的一些驅動器而言，鎮(zhèn)流電阻器與LED串聯放置可改善串之間的匹配。

第五個要求，即高亮度調節(jié)比（例如：0.1%，或者1000：1），不管是使用模擬調節(jié)還是PWM調節(jié)，利用一個簡單驅動器來實現都較為困難。在低占空因數下使用模擬亮度調節(jié)時，模擬控制電壓變得如此之低，以至于IC的漏電流和補償電壓會極大地降低精確度。使用簡單驅動器的PWM亮度調節(jié)是最為常見的實現方法，其通過完全開關轉換器來實現。這種亮度調節(jié)產生轉換器軟啟動時間，迫使PWM亮度調節(jié)頻率變得非常低，接近閃爍范圍。占空因數讓輸出電容在再充電期間放電和嗡鳴。因此，利用集成電流阱，可以完美地實現高亮度調節(jié)比，因為它可以非常快速地開關。

第六個和最后一個要求，即高效率，不僅僅與驅動器有關，也與LED配置結構有關。驅動器DC/DC轉換器的功率MOSFET、電感以及整流二極管，共同決定轉換器的效率。簡單驅動器的接地通路為電流檢測電阻器。轉換器的FB電壓越低，總驅動器效率就越高。同樣地，對于一個集成電流阱的驅動器來說，這些吸收器的最小工作電壓越低，驅動器的效率也就越高。簡單驅動器幾乎總是比帶電流阱的驅動器的效率要高，假設條件是它們兩者具有完全相同的內部組件，因為電流阱一般比電流檢測電阻器要求更高的偏壓。但是，為了滿足平板電腦的其它性能要求，集成電流阱的驅動器一般是最佳的選擇。

通過選擇串的最佳數目以及每串LED的最佳數目，來最小化功耗和最大化電池使用時間，是一項具有挑戰(zhàn)性的工作。使用更少的串，要求每串有更多的LED，并且會導致升壓轉換器更高的輸出電壓。升壓轉換器輸入和輸出電壓之間的差異越大，其效率也就越低。另外，更多的串會導致更高的總輸出電流，以及更高的電感和升壓整流二極管損耗。圖3顯示了不同串聯（S）和并聯（P）組合時三種不同LED配置的模擬升壓功率級效率。使用更多的串，可讓每串的LED更少，并提供更低的輸出電壓，但它要求更多的電流阱，不得不消耗更多的功率，從而降低驅動器的總效率。


圖3：升壓功率級效率

圖4顯示的是總驅動器效率，其包括圖3所示相同LED配置的功率級和電流阱效率。由該曲線圖，我們可以清楚地看到20支LED采用5支LED串聯為一串、4串并聯在一起（5S4P）的配置，24支LED采用6S4P配置，而36支LED采用6S6P配置時，出現最佳模擬效率。根據這些結果，最大化平板電腦背光驅動器效率的經驗法則是，選擇相等或者盡可能相互接近的S和P數目，但是在只有兩個可選的情況下P的數目應小一些。


圖4：總驅動器效率配置

根據前面的分析，具有集成電流阱的背光驅動器，例如：德州儀器TPS61181A筆記本電腦背光驅動器，可以針對平板電腦背光進行優(yōu)化（參見圖5）。對于那些使用兩節(jié)鋰離子電池的平板電腦而言，驅動器和升壓功率級都可以直接通過電池供電。而對于那些只使用單節(jié)鋰離子電池的平板電腦來說，驅動器偏壓軌可以由面板的AVDD軌或者系統(tǒng)的另一個電源（4.5V或者更高）來供電。由于TPS61181A能夠提供比大多數平板電腦要求的功率稍微更高一些的功率（也就是說，功率FET稍微過大，因此RDS（on）非常低），所以相比專為該輸出功率而設計的轉換器，這種轉換器的功耗更低，從而進一步最大化了效率。圖6顯示了6S6P配置TPS61161A的測得效率結果。


圖5：為平板電腦背光供電的TPS61181A


圖6：單體鋰離子電池供電時的TPS61181A效率

結論

為平板電腦選擇最佳的背光驅動器，需要考慮所有的應用要求。在滿足除效率以外的所有要求方面，集成電流阱的驅動器是最佳選擇。但是，謹慎選擇具有稍超大轉換器的驅動器、最低降功率的外部組件以及最佳的LED串配置結構，可以帶來一種最大化電池使用時間的同時也滿足所有設計要求的平板電腦背光。