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手持通信设备的光源驱动设计 |
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作者：上海交通大学微电子学院 熊耀莹 |
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通信手持设备光源的应用主要体现在键盘灯、液晶屏幕背光和特殊照明三个方面，主要的发光器件是半导体发光二极管(LED)，驱动芯片设计技术有低压差(LDO)稳压器、可调节(Regulator)稳压电源、电荷泵(Charge Pump)电源和超级电容(Super Capacitor)电源等不同形式。
半导体发光二极管(LED)是具有体积小、省电、长寿命和可靠性高的特点，被广泛应用在通信手持设备中的屏幕显示和信息传递提示。目前，LED正向高亮度、全彩色化、高性能、低成本的方面发展。
在手持设备光源的三大模块中，键盘灯的应用方式相对固定，通常会使用4～10个LED，均用串联电阻的方式来限流，总体耗电相对较少。随着工作电压的不同，LED在颜色方面也经历几种变化，最早期LED发出的是黄绿色背光，芯片的驱动电压一般2.5V左右，而且黄绿色LED的GaP:N(LED的掺氮外延晶片)晶片的发光效率最高，发光带主峰在黄绿色591nm相对应的高强度。后来又出现了具有量子阱结构的高亮度InGaN产品，使LED可以发出绿色、蓝色、红色和紫色粉红等混合色，这也就是所谓“炫彩”手机所采用的光源。这类LED的驱动电压要高一些，通常在 3.8～4.1V之间，如果LED的数量相同，这些颜色灯比黄绿色灯的功耗要高一些。现在大多数的键盘灯都采用高亮度的白色LED，也有些出于成本的考虑使用较便宜的黄绿色LED。
手持设备中的屏幕背光是一个不可或缺的功能，由于屏幕本身有黑白屏幕和彩色屏幕之分，所以对光源的要求也不尽相同。用于黑白屏的LED完全可以和键盘灯拥有相同的电源驱动和颜色，但是对尺寸稍大的黑白屏幕而言，采用高亮度的LED从侧面给与光源，就会在屏幕上出现严重的光分布不均匀现象，因此人们又开发出了“电场致发光”(EL：Electro Luminescence)背光，它的原理主要是通过在透明的有机底板或线形构造物体面涂上发光材料，两极接上交流电压而产生交流电场，当达到一定的临界值，被电场激发的电子碰撞发光层，导致电子能极的跳跃、变化、复合而发射出高效率冷光的一种物理现象。在实际应用中发现，EL发光柔和、均匀、不发热、耗电省，且厚度薄、重量轻、携带方便，但是价格昂贵。
当LCD出现彩色屏幕以后，对光源主要需求是白光，这是由彩色LCD屏幕的光学结构决定的，原因是要形成最终看到的图像必须借助偏光片使白光均匀分布并定向发射以后，再通过可以形成彩色图案的液晶胶片，如果是其他颜色的光就无法让具有RGB单元的液晶胶片准确显示图形的颜色。所需要的LED数量视屏幕大小和亮度要求而定，一般是4～8个，而且为了获得比较一致和均匀的光输出效果，这些白光LED常用串联方式连接，因此就必须提供能使它们一起工作在足够亮度电流的驱动电压。
通信手持设备的特殊照明需求主要包括：多彩LED指示灯、手电筒功能和拍照闪光灯。
多彩LED指示灯是介于彩色屏幕出现以后和手机相机出现之前这段时间的过渡产品。它主要是通过控制R、G、B三个不同的LED芯片的发光时间长短，来混合产生不同的光学效果。但它用在手持设备中很失败，主要是因为如果为了达到“炫彩”的效果，一旦让多彩LED指示灯工作起来，系统就无法进入深度睡眠状态，这对系统的软硬件资源消耗也很大，加上LED的功耗较大，造成待机时间短而显得得不偿失。
手电筒和拍照闪光灯是目前有百万以上像素照相机的手机所带有的新功能，由白光LED提供强光源，而且随着手机内部存储容量(SD卡、T-Flash卡等)的不断扩大和与PC的数据共享，以及网络间数据传输MMS的流行(EGPRS/3G)，用户对所拍摄照片质量的期望越来越高，要求能在光线比较暗的地方能提供闪光灯。手电筒功能事实上是拍照闪光灯的附属功能，可以与拍照闪光灯共享硬件资源。最早出现的拍照闪光灯算不上真正的闪光灯，因为在使用时需要软件预先打开灯光，没有可供同步拍照过程的编程接口；其次，它的LED大约200mA工作电流所产生的亮度很低，且仅在半米范围内起着有限的作用，也就是说手电筒功能是闪光灯连续工作在小电流模式的状况。同理，LCD背光和键盘背光均可以被纳入到一个整体的应用方案中来得到解决。
所以，只要有大功率、高亮度的光源驱动就能完全解决手持设备的光源需求。
近似认为，如果设定在两米范围内对拍照手机进行有效补光，就需要LED的工作电流达到800mA～1.5A，才能产生所需的光强。也有一些设备为了达到设计亮度，会采用两个LED并联来增加输出光强。如果想达到接近数码相机“氙气灯”相同的补光效果，就需要LED的工作电流达到4A。同时，光照效果的好坏还取决于聚光透镜效果、受光面积以及与光源的距离。
总之，为了提升用户的使用体验，高亮度的白光LED将是手持设备光源的首选发光器件，它可以用在键盘灯、液晶屏幕背光和特殊照明三个方面，可以对每种应用的光源分别提供电源，也可以由一个驱动器件的多路输出管理所有光源。
光源驱动实现方案的分析对比
按照目前市场要求，光源驱动芯片要能提供大驱动电流输出，可以提供多路输出，并且还可以输出小电流。现有的低压差(LDO)稳压器、可调节稳压电源，虽然易于系统集成，但是驱动能力太弱，已经无法满足新的要求。
典型高亮度LED的工作电压和电流的关系、LED亮度与电流的关系如图1所示，一般手持设备所用锂离子电池的有效工作电压大约是3.0～4.2V，如果直接作为LED的电源，对于单个LED(或并联)，电压就有些过高且效率较低，而对多个LED串联又会出现电压不足的问题。所以，人们又提出了能够提供相对适宜的驱动电压和电流的背光驱动芯片。
(a) LED工作特性曲线
（b）LED亮度与电流的关系
图1 典型的LED工作特性和光效率
其次LED的控制方式主要有电压控制和电流控制两种，如图2所示。 
（a）LED电压控制原理 （b）LED电流控制原理
图2 常用的控制方式和工作原理
所谓电压控制就是指只需驱动芯片提供额定的电压。电流控制就可以让输出电压随着负载的变化作调整，工作电流可按照设定要求稳定在某个值。这两种方式都需要反馈侦测。再分析图1(a)所示的LED的工作特性，无论是设定电压考察电流还是固定电流分析电压，实际上在同一的电流设定点要使LED产生近似相同亮度的电压浮动范围很大，因此不推荐使用电压控制，而采用电流控制显然有优势，能使得电流不依赖于驱动电压。
常见的电流控制的拓扑结构有两大类：电容式和电感式，两种结构都可以通过脉宽调制(PWM)做开关控制，开关频率为30kHz～2MHz，随着器件工艺水平的提高，开关速度还可能增加，效率也会得到相应的提升。随着LED设计工艺技术的提高，可以制造出更大功率和高亮度的器件，就需要相应的超大电容结构来满足设计性能，弥补前面两种在驱动能力上的不足。
电容式驱动拓扑结构的主要贮能元件是电容，按照负载端的要求可以产生1倍、1.5倍或者2倍于输入的输出电压，从图3到图5分别是它们的工作原理。
对于电容式驱动结构，根据能量守恒分析，其输入端的电流也会随着倍数关系变化，即当1倍压时输入端电流等于输出端电流，当1.5倍压时输入端电流是输出端电流的1.5倍，当2倍压时输入端电流是输出端电流的2倍。同时，这种结构的效率按照电压关系来计算，定义为：
其中M是电压变化倍数。图6所示为在不同设定电流处，在这几种倍数关系时效率的变化曲线。假定输入电压为3.6V，输出电压为3.5V，如果采用2倍升压，则效率仅有50%，如果1.5倍升压则效率只有65%，而1倍升压的效率可以达到97%以上。
图6 电容式结构效率的仿真结果
电感式结构的主要贮能元件是电感，输出电压可以通过控制一个周期内的充放电的占空比，来达到线性调节，图7所示为一个能够自适应实现升压或降压的拓扑结构，它的工作原理是：(1)S1和S3闭合，升压模式，电感两端的电压等于输入电压；(2)S1和S4闭合，前向导通模式，电感两端的电压等于输入电压减去输出电压；(3)S2和S4闭合，降压模式，电感两端的电压等于反向输出电压。
与电容式结构相比较，电感式结构的效率是从电流角度来分析的，假定以2MHz的开关频率工作，在降压模式从2.5V到1.2V，而升压模式从2.5V到5V，每一个MOS管的内阻近似为0.17Ω，那么当选取不同的电感值时仿真得到的效率曲线分别如图8和图9所示。
综合升压和降压的仿真结果可以得出，在2MHz的开关频率和MOS管的设计内阻近似为0.17Ω条件工作时，贮能电感的取值范围可以小于4.7μH，由图中可以看出，在一般情况下2.2μH甚至1.5μH都是可以接受的，这就意味着不但降低了成本，而且还可以在PCB设计中节省布局空间。
超级电容模式是针对以上两种结构的局限而产生的，因为前两种结构的最大输出电流受到电池使用规格的限制。如果假定工作电流均可以达到1A，且输出电压是输入电压的2倍，根据前面给出的效率表达式，假定各自的平均效率可以达到80%，那么映射到输入端的电流就可以达到2.5A，从而会引起过放电和很大的压降，这对于锂离子电池是不允许的。所以当输入端电池需要提供的电流大于2A或者更大时，就需要对电池输出电流进行限制，相应在负载端还需要一个贮能电容，容值一般在0.2F到1F。图10就是基于这种概念给出的定义。
图10 超级大电容模式结构框图
对于这种新型结构的工作原理，首先通过电容式或电感式结构设计的限流器来对超大电容充电，当大功率耗电模块，如高亮度LED和射频功率放大器，在短时间内需要很大的驱动电流工作时，能量主要由超大电容来提供，当然这种结构的局限性在于，还是无法长时间地工作在大电流状态，图11是以电感式结构作为限流器，采用图10所示电流控制的超大电容结构充电和一次完整的放充电过程。从图中的充电过程可以看出，在限流器控制下，超大电容获得能量并且电位得到提高，使驱动能力得到保证；当需要快速放电时，限流器本身又作为驱动源和超大电容一起对负载输出能量，完成一个工作周期后超大电容再次被充电获得能量。这样最大程度地保障了电池使用的安全和系统的稳定。
（a）超级大电容初始化充电过程
（b）一个周期内的放电和充电过程
图11 超级大电容结构充放电过程仿真
通过分析对比以上几种结构，可以看出，用在通信手持设备光源的驱动芯片发展趋势将是小封装、大功率、可编程控制、良好的热效率以及合理的成本，而且还会尝试把此类电源驱动集成在系统电源管理模块中。(end)
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(3/11/2007) |
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