如何使平板電腦背光耗電減少

平板電腦市場預(yù)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(xiàn)在仍然沒有標(biāo)準(zhǔn)的平板電腦架構(gòu)。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(shù)目范圍為20到36支。本文將指導(dǎo)讀者如何選擇最佳的WLED驅(qū)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(yīng)用要求。

平板電腦背光要求

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

1、RF范圍內(nèi)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(diào)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(nèi)低EMI相對較為容易。數(shù)年來，電源設(shè)計人員一直在為實施這個目標(biāo)而努力，他們嘗試了許多方法，例如：將開關(guān)頻率和并發(fā)諧波設(shè)置在RF范圍以外，使用屏蔽電感，在合適的情況下給PCB設(shè)計最小的長度但卻使用較寬的導(dǎo)線，諸如此類。一些驅(qū)動器IC已經(jīng)將MOSFET柵極驅(qū)動電路同分層上升時間集成，以減少RF范圍內(nèi)的噪聲。

亮度調(diào)節(jié)類型極大地影響后面四個要求。使用脈寬調(diào)制（PWM）亮度調(diào)節(jié)時，LED電流在調(diào)節(jié)過程中以其最大電流水平脈沖開和關(guān)，來產(chǎn)生平均DC LED電流。這時，只要PWM亮度調(diào)節(jié)頻率遠(yuǎn)高于60 Hz，背光閃爍就不那么明顯。如果使用模擬亮度調(diào)節(jié)，則閃爍就不是一個問題，因為亮度調(diào)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(qū)動器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有關(guān)。圖1顯示了一個簡單的驅(qū)動器，其電流檢測電阻器作為LED電流的接地通路。轉(zhuǎn)換器對電流檢測電阻器的電壓進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而控制LED電流。


圖1：簡易LED驅(qū)動器

圖2顯示了集成電流阱的驅(qū)動器。該驅(qū)動器對每個電流阱的電壓進(jìn)行采樣，確保轉(zhuǎn)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(diào)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(yīng)LED電流的微小變化。但是，如果使用PWM亮度調(diào)節(jié)，則驅(qū)動器防止輸出電容放電的方式就變得很重要。最簡單的驅(qū)動器在驅(qū)動器反饋（FB）引腳到接地之間也有一個電阻器，驅(qū)動器的轉(zhuǎn)換器有效關(guān)閉時，輸出電容在低亮度調(diào)節(jié)占空比時開始急劇放電。更為復(fù)雜的一些驅(qū)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(zhuǎn)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(qū)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(xiàn)。集成電流阱驅(qū)動器的關(guān)鍵特性是串之間的極精確匹配。就無集成電流阱的一些驅(qū)動器而言，鎮(zhèn)流電阻器與LED串聯(lián)放置可改善串之間的匹配。

第五個要求，即高亮度調(diào)節(jié)比（例如：0.1%，或者1000：1），不管是使用模擬調(diào)節(jié)還是PWM調(diào)節(jié)，利用一個簡單驅(qū)動器來實現(xiàn)都較為困難。在低占空因數(shù)下使用模擬亮度調(diào)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(qū)動器的PWM亮度調(diào)節(jié)是最為常見的實現(xiàn)方法，其通過完全開關(guān)轉(zhuǎn)換器來實現(xiàn)。這種亮度調(diào)節(jié)產(chǎn)生轉(zhuǎn)換器軟啟動時間，迫使PWM亮度調(diào)節(jié)頻率變得非常低，接近閃爍范圍。占空因數(shù)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(xiàn)高亮度調(diào)節(jié)比，因為它可以非?？焖俚亻_關(guān)。

第六個和最后一個要求，即高效率，不僅僅與驅(qū)動器有關(guān)，也與LED配置結(jié)構(gòu)有關(guān)。驅(qū)動器DC/DC轉(zhuǎn)換器的功率MOSFET、電感以及整流二極管，共同決定轉(zhuǎn)換器的效率。簡單驅(qū)動器的接地通路為電流檢測電阻器。轉(zhuǎn)換器的FB電壓越低，總驅(qū)動器效率就越高。同樣地，對于一個集成電流阱的驅(qū)動器來說，這些吸收器的最小工作電壓越低，驅(qū)動器的效率也就越高。簡單驅(qū)動器幾乎總是比帶電流阱的驅(qū)動器的效率要高，假設(shè)條件是它們兩者具有完全相同的內(nèi)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(qū)動器一般是最佳的選擇。

通過選擇串的最佳數(shù)目以及每串LED的最佳數(shù)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(dǎo)致升壓轉(zhuǎn)換器更高的輸出電壓。升壓轉(zhuǎn)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(dǎo)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(lián)（S）和并聯(lián)（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(qū)動器的總效率。


圖3：升壓功率級效率

圖4顯示的是總驅(qū)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(lián)為一串、4串并聯(lián)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(xiàn)最佳模擬效率。根據(jù)這些結(jié)果，最大化平板電腦背光驅(qū)動器效率的經(jīng)驗法則是，選擇相等或者盡可能相互接近的S和P數(shù)目，但是在只有兩個可選的情況下P的數(shù)目應(yīng)小一些。


圖4：總驅(qū)動器效率配置

根據(jù)前面的分析，具有集成電流阱的背光驅(qū)動器，例如：德州儀器TPS61181A筆記本電腦背光驅(qū)動器，可以針對平板電腦背光進(jìn)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(qū)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(qū)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(shù)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(shè)計的轉(zhuǎn)換器，這種轉(zhuǎn)換器的功耗更低，從而進(jìn)一步最大化了效率。圖6顯示了6S6P配置TPS61161A的測得效率結(jié)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(jié)論

為平板電腦選擇最佳的背光驅(qū)動器，需要考慮所有的應(yīng)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(qū)動器是最佳選擇。但是，謹(jǐn)慎選擇具有稍超大轉(zhuǎn)換器的驅(qū)動器、最低降功率的外部組件以及最佳的LED串配置結(jié)構(gòu)，可以帶來一種最大化電池使用時間的同時也滿足所有設(shè)計要求的平板電腦背光。