手持通信設(shè)備的光源驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)

通信手持設(shè)備光源的應(yīng)用主要體現(xiàn)在鍵盤燈、液晶屏幕背光和特殊照明三個(gè)方面，主要的發(fā)光器件是半導(dǎo)體發(fā)光二極管(LED)，驅(qū)動(dòng)芯片設(shè)計(jì)技術(shù)有低壓差(LDO)穩(wěn)壓器、可調(diào)節(jié)(Regulator)穩(wěn)壓電源、電荷泵(Charge Pump)電源和超級(jí)電容(Super Capacitor)電源等不同形式。

半導(dǎo)體發(fā)光二極管(LED)是具有體積小、省電、長(zhǎng)壽命和可靠性高的特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用在通信手持設(shè)備中的屏幕顯示和信息傳遞提示。目前，LED正向高亮度、全彩色化、高性能、低成本的方面發(fā)展。

在手持設(shè)備光源的三大模塊中，鍵盤燈的應(yīng)用方式相對(duì)固定，通常會(huì)使用4～10個(gè)LED，均用串聯(lián)電阻的方式來(lái)限流，總體耗電相對(duì)較少。隨著工作電壓的不同，LED在顏色方面也經(jīng)歷幾種變化，最早期LED發(fā)出的是黃綠色背光，芯片的驅(qū)動(dòng)電壓一般2.5V左右，而且黃綠色LED的GaP:N(LED的摻氮外延晶片)晶片的發(fā)光效率最高，發(fā)光帶主峰在黃綠色591nm相對(duì)應(yīng)的高強(qiáng)度。后來(lái)又出現(xiàn)了具有量子阱結(jié)構(gòu)的高亮度InGaN產(chǎn)品，使LED可以發(fā)出綠色、藍(lán)色、紅色和紫色粉紅等混合色，這也就是所謂“炫彩”手機(jī)所采用的光源。這類LED的驅(qū)動(dòng)電壓要高一些，通常在 3.8～4.1V之間，如果LED的數(shù)量相同，這些顏色燈比黃綠色燈的功耗要高一些。現(xiàn)在大多數(shù)的鍵盤燈都采用高亮度的白色LED，也有些出于成本的考慮使用較便宜的黃綠色LED。

手持設(shè)備中的屏幕背光是一個(gè)不可或缺的功能，由于屏幕本身有黑白屏幕和彩色屏幕之分，所以對(duì)光源的要求也不盡相同。用于黑白屏的LED完全可以和鍵盤燈擁有相同的電源驅(qū)動(dòng)和顏色，但是對(duì)尺寸稍大的黑白屏幕而言，采用高亮度的LED從側(cè)面給與光源，就會(huì)在屏幕上出現(xiàn)嚴(yán)重的光分布不均勻現(xiàn)象，因此人們又開發(fā)出了“電場(chǎng)致發(fā)光”(EL：Electro Luminescence)背光，它的原理主要是通過(guò)在透明的有機(jī)底板或線形構(gòu)造物體面涂上發(fā)光材料，兩極接上交流電壓而產(chǎn)生交流電場(chǎng)，當(dāng)達(dá)到一定的臨界值，被電場(chǎng)激發(fā)的電子碰撞發(fā)光層，導(dǎo)致電子能極的跳躍、變化、復(fù)合而發(fā)射出高效率冷光的一種物理現(xiàn)象。在實(shí)際應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)，EL發(fā)光柔和、均勻、不發(fā)熱、耗電省，且厚度薄、重量輕、攜帶方便，但是價(jià)格昂貴。

當(dāng)LCD出現(xiàn)彩色屏幕以后，對(duì)光源主要需求是白光，這是由彩色LCD屏幕的光學(xué)結(jié)構(gòu)決定的，原因是要形成最終看到的圖像必須借助偏光片使白光均勻分布并定向發(fā)射以后，再通過(guò)可以形成彩色圖案的液晶膠片，如果是其他顏色的光就無(wú)法讓具有RGB單元的液晶膠片準(zhǔn)確顯示圖形的顏色。所需要的LED數(shù)量視屏幕大小和亮度要求而定，一般是4～8個(gè)，而且為了獲得比較一致和均勻的光輸出效果，這些白光LED常用串聯(lián)方式連接，因此就必須提供能使它們一起工作在足夠亮度電流的驅(qū)動(dòng)電壓。

通信手持設(shè)備的特殊照明需求主要包括：多彩LED指示燈、手電筒功能和拍照閃光燈。

多彩LED指示燈是介于彩色屏幕出現(xiàn)以后和手機(jī)相機(jī)出現(xiàn)之前這段時(shí)間的過(guò)渡產(chǎn)品。它主要是通過(guò)控制R、G、B三個(gè)不同的LED芯片的發(fā)光時(shí)間長(zhǎng)短，來(lái)混合產(chǎn)生不同的光學(xué)效果。但它用在手持設(shè)備中很失敗，主要是因?yàn)槿绻麨榱诉_(dá)到“炫彩”的效果，一旦讓多彩LED指示燈工作起來(lái)，系統(tǒng)就無(wú)法進(jìn)入深度睡眠狀態(tài)，這對(duì)系統(tǒng)的軟硬件資源消耗也很大，加上LED的功耗較大，造成待機(jī)時(shí)間短而顯得得不償失。

手電筒和拍照閃光燈是目前有百萬(wàn)以上像素照相機(jī)的手機(jī)所帶有的新功能，由白光LED提供強(qiáng)光源，而且隨著手機(jī)內(nèi)部存儲(chǔ)容量(SD卡、T-Flash卡等)的不斷擴(kuò)大和與PC的數(shù)據(jù)共享，以及網(wǎng)絡(luò)間數(shù)據(jù)傳輸MMS的流行(EGPRS/3G)，用戶對(duì)所拍攝照片質(zhì)量的期望越來(lái)越高，要求能在光線比較暗的地方能提供閃光燈。手電筒功能事實(shí)上是拍照閃光燈的附屬功能，可以與拍照閃光燈共享硬件資源。最早出現(xiàn)的拍照閃光燈算不上真正的閃光燈，因?yàn)樵谑褂脮r(shí)需要軟件預(yù)先打開燈光，沒有可供同步拍照過(guò)程的編程接口；其次，它的LED大約200mA工作電流所產(chǎn)生的亮度很低，且僅在半米范圍內(nèi)起著有限的作用，也就是說(shuō)手電筒功能是閃光燈連續(xù)工作在小電流模式的狀況。同理，LCD背光和鍵盤背光均可以被納入到一個(gè)整體的應(yīng)用方案中來(lái)得到解決。

所以，只要有大功率、高亮度的光源驅(qū)動(dòng)就能完全解決手持設(shè)備的光源需求。

近似認(rèn)為，如果設(shè)定在兩米范圍內(nèi)對(duì)拍照手機(jī)進(jìn)行有效補(bǔ)光，就需要LED的工作電流達(dá)到800mA～1.5A，才能產(chǎn)生所需的光強(qiáng)。也有一些設(shè)備為了達(dá)到設(shè)計(jì)亮度，會(huì)采用兩個(gè)LED并聯(lián)來(lái)增加輸出光強(qiáng)。如果想達(dá)到接近數(shù)碼相機(jī)“氙氣燈”相同的補(bǔ)光效果，就需要LED的工作電流達(dá)到4A。同時(shí)，光照效果的好壞還取決于聚光透鏡效果、受光面積以及與光源的距離。
總之，為了提升用戶的使用體驗(yàn)，高亮度的白光LED將是手持設(shè)備光源的首選發(fā)光器件，它可以用在鍵盤燈、液晶屏幕背光和特殊照明三個(gè)方面，可以對(duì)每種應(yīng)用的光源分別提供電源，也可以由一個(gè)驅(qū)動(dòng)器件的多路輸出管理所有光源。

光源驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)方案的分析對(duì)比

按照目前市場(chǎng)要求，光源驅(qū)動(dòng)芯片要能提供大驅(qū)動(dòng)電流輸出，可以提供多路輸出，并且還可以輸出小電流。現(xiàn)有的低壓差(LDO)穩(wěn)壓器、可調(diào)節(jié)穩(wěn)壓電源，雖然易于系統(tǒng)集成，但是驅(qū)動(dòng)能力太弱，已經(jīng)無(wú)法滿足新的要求。

典型高亮度LED的工作電壓和電流的關(guān)系、LED亮度與電流的關(guān)系如圖1所示，一般手持設(shè)備所用鋰離子電池的有效工作電壓大約是3.0～4.2V，如果直接作為L(zhǎng)ED的電源，對(duì)于單個(gè)LED(或并聯(lián))，電壓就有些過(guò)高且效率較低，而對(duì)多個(gè)LED串聯(lián)又會(huì)出現(xiàn)電壓不足的問(wèn)題。所以，人們又提出了能夠提供相對(duì)適宜的驅(qū)動(dòng)電壓和電流的背光驅(qū)動(dòng)芯片。

(a)LED工作特性曲線

（b）LED亮度與電流的關(guān)系

圖1  典型的LED工作特性和光效率

其次LED的控制方式主要有電壓控制和電流控制兩種，如圖2所示。

（a）LED電壓控制原理

（b）LED電流控制原理

圖2  常用的控制方式和工作原理

所謂電壓控制就是指只需驅(qū)動(dòng)芯片提供額定的電壓。電流控制就可以讓輸出電壓隨著負(fù)載的變化作調(diào)整，工作電流可按照設(shè)定要求穩(wěn)定在某個(gè)值。這兩種方式都需要反饋偵測(cè)。再分析圖1(a)所示的LED的工作特性，無(wú)論是設(shè)定電壓考察電流還是固定電流分析電壓，實(shí)際上在同一的電流設(shè)定點(diǎn)要使LED產(chǎn)生近似相同亮度的電壓浮動(dòng)范圍很大，因此不推薦使用電壓控制，而采用電流控制顯然有優(yōu)勢(shì)，能使得電流不依賴于驅(qū)動(dòng)電壓。

常見的電流控制的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有兩大類：電容式和電感式，兩種結(jié)構(gòu)都可以通過(guò)脈寬調(diào)制(PWM)做開關(guān)控制，開關(guān)頻率為30kHz～2MHz，隨著器件工藝水平的提高，開關(guān)速度還可能增加，效率也會(huì)得到相應(yīng)的提升。隨著LED設(shè)計(jì)工藝技術(shù)的提高，可以制造出更大功率和高亮度的器件，就需要相應(yīng)的超大電容結(jié)構(gòu)來(lái)滿足設(shè)計(jì)性能，彌補(bǔ)前面兩種在驅(qū)動(dòng)能力上的不足。

電容式驅(qū)動(dòng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的主要貯能元件是電容，按照負(fù)載端的要求可以產(chǎn)生1倍、1.5倍或者2倍于輸入的輸出電壓，從圖3到圖5分別是它們的工作原理。

圖3  電容式1倍壓充放電過(guò)程

圖4  電容式1.5倍壓充放電過(guò)程

圖5  電容式2倍壓充放電過(guò)程

對(duì)于電容式驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)，根據(jù)能量守恒分析，其輸入端的電流也會(huì)隨著倍數(shù)關(guān)系變化，即當(dāng)1倍壓時(shí)輸入端電流等于輸出端電流，當(dāng)1.5倍壓時(shí)輸入端電流是輸出端電流的1.5倍，當(dāng)2倍壓時(shí)輸入端電流是輸出端電流的2倍。同時(shí)，這種結(jié)構(gòu)的效率按照電壓關(guān)系來(lái)計(jì)算，定義為：

其中M是電壓變化倍數(shù)。圖6所示為在不同設(shè)定電流處，在這幾種倍數(shù)關(guān)系時(shí)效率的變化曲線。假定輸入電壓為3.6V，輸出電壓為3.5V，如果采用2倍升壓，則效率僅有50%，如果1.5倍升壓則效率只有65%，而1倍升壓的效率可以達(dá)到97%以上。

圖6  電容式結(jié)構(gòu)效率的仿真結(jié)果

電感式結(jié)構(gòu)的主要貯能元件是電感，輸出電壓可以通過(guò)控制一個(gè)周期內(nèi)的充放電的占空比，來(lái)達(dá)到線性調(diào)節(jié)，圖7所示為一個(gè)能夠自適應(yīng)實(shí)現(xiàn)升壓或降壓的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，它的工作原理是：(1)S1和S3閉合，升壓模式，電感兩端的電壓等于輸入電壓；(2)S1和S4閉合，前向?qū)Ｊ?，電感兩端的電壓等于輸入電壓減去輸出電壓；(3)S2和S4閉合，降壓模式，電感兩端的電壓等于反向輸出電壓。

（a）電感式結(jié)構(gòu)

（b）電感式結(jié)構(gòu)的實(shí)現(xiàn)電路

圖7  自適應(yīng)實(shí)現(xiàn)升壓或降壓的拓補(bǔ)結(jié)構(gòu)及電路

與電容式結(jié)構(gòu)相比較，電感式結(jié)構(gòu)的效率是從電流角度來(lái)分析的，假定以2MHz的開關(guān)頻率工作，在降壓模式從2.5V到1.2V，而升壓模式從2.5V到5V，每一個(gè)MOS管的內(nèi)阻近似為0.17Ω，那么當(dāng)選取不同的電感值時(shí)仿真得到的效率曲線分別如圖8和圖9所示。

圖8  降壓模式從2.5V到1.2V效率的仿真結(jié)果

圖9  升壓模式從2.5V到5V效率的仿真結(jié)果

綜合升壓和降壓的仿真結(jié)果可以得出，在2MHz的開關(guān)頻率和MOS管的設(shè)計(jì)內(nèi)阻近似為0.17Ω條件工作時(shí)，貯能電感的取值范圍可以小于4.7μH，由圖中可以看出，在一般情況下2.2μH甚至1.5μH都是可以接受的，這就意味著不但降低了成本，而且還可以在PCB設(shè)計(jì)中節(jié)省布局空間。

超級(jí)電容模式是針對(duì)以上兩種結(jié)構(gòu)的局限而產(chǎn)生的，因?yàn)榍皟煞N結(jié)構(gòu)的最大輸出電流受到電池使用規(guī)格的限制。如果假定工作電流均可以達(dá)到1A，且輸出電壓是輸入電壓的2倍，根據(jù)前面給出的效率表達(dá)式，假定各自的平均效率可以達(dá)到80%，那么映射到輸入端的電流就可以達(dá)到2.5A，從而會(huì)引起過(guò)放電和很大的壓降，這對(duì)于鋰離子電池是不允許的。所以當(dāng)輸入端電池需要提供的電流大于2A或者更大時(shí)，就需要對(duì)電池輸出電流進(jìn)行限制，相應(yīng)在負(fù)載端還需要一個(gè)貯能電容，容值一般在0.2F到1F。圖10就是基于這種概念給出的定義。

圖10  超級(jí)大電容模式結(jié)構(gòu)框圖

對(duì)于這種新型結(jié)構(gòu)的工作原理，首先通過(guò)電容式或電感式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的限流器來(lái)對(duì)超大電容充電，當(dāng)大功率耗電模塊，如高亮度LED和射頻功率放大器，在短時(shí)間內(nèi)需要很大的驅(qū)動(dòng)電流工作時(shí)，能量主要由超大電容來(lái)提供，當(dāng)然這種結(jié)構(gòu)的局限性在于，還是無(wú)法長(zhǎng)時(shí)間地工作在大電流狀態(tài)，圖11是以電感式結(jié)構(gòu)作為限流器，采用圖10所示電流控制的超大電容結(jié)構(gòu)充電和一次完整的放充電過(guò)程。從圖中的充電過(guò)程可以看出，在限流器控制下，超大電容獲得能量并且電位得到提高，使驅(qū)動(dòng)能力得到保證；當(dāng)需要快速放電時(shí)，限流器本身又作為驅(qū)動(dòng)源和超大電容一起對(duì)負(fù)載輸出能量，完成一個(gè)工作周期后超大電容再次被充電獲得能量。這樣最大程度地保障了電池使用的安全和系統(tǒng)的穩(wěn)定。

（a）超級(jí)大電容初始化充電過(guò)程

（b）一個(gè)周期內(nèi)的放電和充電過(guò)程

圖11  超級(jí)大電容結(jié)構(gòu)充放電過(guò)程仿真

通過(guò)分析對(duì)比以上幾種結(jié)構(gòu)，可以看出，用在通信手持設(shè)備光源的驅(qū)動(dòng)芯片發(fā)展趨勢(shì)將是小封裝、大功率、可編程控制、良好的熱效率以及合理的成本，而且還會(huì)嘗試把此類電源驅(qū)動(dòng)集成在系統(tǒng)電源管理模塊中。