选择用于无线产品的LED驱动

作者：Jaakko Latvala
最近几年内，手机照明发生了巨大变化。从终端客户点的角度来看，并没有太大变化-他们可能只是发现显示屏变大了，指示灯变多了或者照相时有了闪光。从技术角度来看，创造照明特性的挑战很棘手，而且以后会越来越棘手。现在，手机照明方面最大的技术挑战在于：
● 合理划分系统中的LED驱动
● 限制功耗
● 辐射噪声
● 控制接口和可编程性
● 安全问题
● 外部元件的尺寸
● 系统成本

显示器背光
根据手机的不同，显示屏背光LED驱动要求在简单的4 LED驱动到更复杂的、最多可驱动10个LED的双显示器（主屏和子屏）背光驱动器之间变化。根据手机生产厂商的不同，LED驱动或者是显示屏的一部分，或者就安装在电话主板上。一小部分电话具有有机LED（OLED）显示器，它没有背光LED，但却要求有用于照明的偏置电压。
大多数的讨论都是在并联和串联之间做选择的问题。遗憾的是，这个问题并没有一个简单的答案。通常，一个带有LED吸收电流或电流源的电荷泵AC/DC变换器可以提供最小的解决方案（无需电感）。并行LED驱动器的效率随输入电压范围的变化而变化。多模电荷泵在锂离子电池电压范围内可以实现75%~90%的LED效率。并联的不足在于增加PWC上了的布线数量。过去，匹配是一个主要参数，但是现在新的电路结构可以在LED分支间实现0.2%的匹配。串联要求具有一个磁性DC-DC转换器，可根据LED数量和最大正向电压规格将电池电压提高到16~20V。这类应用中的电感的尺寸一般是3.5mm×3.5mm× 1mm，而且规定输出电容电压要达到25V。因此，系统尺寸要大于类似的电荷泵应用。磁性解决方案提供了出色的匹配（每个LED都有类似的电流）和更高的LED总效率（80%~95%）。
一些手机生产商已在基带功率管理单元上添加了LED驱动器特性。在某些情况下，它是一个经济的解决方案，但是不够灵活。电话设计中照明要求的变化很快，PMU推动的LED驱动一般设计用于打开或关闭一定数量的LED。如果PMU不能驱动背光，就需要一个独立的驱动-而且如果会增加系统成本，就不会使用PMU功能。
如果LED驱动位于显示器模块中，系统高度就成为一个决定因素。到目前为止，电荷泵解决方案是最佳的，但新的电感将要达到0.8mm厚。同时，还可以使用芯片电感，或利用电荷泵或磁性DC-DC来创建薄型显示器。另外需要考虑的因素是控制接口-单启动、双启动、I2C或SPI接口。大多数电话中都有串行接口，可以实现最方便灵活的控制功能。
不久的将来，背光颜色饱合度将成为一个主要的区别因素。手持式设备中的高分辨率相机和数字电视需要更好的显示器和背光技术。大OLED显示器曾经承诺要改变显示器技术，但至今也没实现。从高质量电视中分离出来的新RGB LED背光技术也将在小型显示器中提供更亮的颜色。虽然技术很新，但是与白色LED（NTSC比为70%）相比，它可以提供高达110%的NTSC颜色饱合度。
高效率显示器背光不光可以通过选择适当的驱动器或LED来实现。应该在可以降低功耗的环境光环境的基础上控制背光强度。环境光反馈控制技术在很大程度上取决于传感器布局（前、后）、传感器类型（光电二极管、光电晶体管、传感器）和必需的特征（直接反馈、过滤反馈及终端客户指定的反馈）。环境光控制的显示器不仅效率更高，而且还能为终端用户提供更自然的外观和感觉。

手机上的彩色LED驱动
彩色LED一般用作指示灯-来电会将LED变成红色，收到短信息则变成紫色等等。这样的LED驱动产品很广泛，从简单的控制器（无升压转换器）到完整的LED驱动（有升压转换器）。许多新的功率管理单元都集成了能够用于驱动彩色LED的GPIO。
指示灯不仅用于彩色LED。它们还可用于娱乐、警告标识、键区引导或者电话装饰。库存跟踪灯就是一个很好的例子，用户可以根据自己的喜好给库存编上相应的颜色。在键盘上，RGBLED能够用于照亮键盘的特定区域，以便在键盘上轻松实现导航。在MP3模式下，电话键盘控制音量或跟踪灯就会按照与其它键盘不同的颜色来显示。

图. Flash LED驱动-问题所在。

具有更多彩色LED的缺陷在于功耗、布线困难（空间和噪声）和增加了控制软件。很多情况下，可以使用内置到DSP和升压电路中的分立彩色LED驱动器。优势在于具有最大的灵活性、本地布线、现有的串行接口（I2C或者SPI）以及降低了功耗。因为在手机的待机模式下指示LED都是开着的，这样就缩短了待机时间，所以彩色LED驱动的功耗就特别重要。通常，LED驱动器是由基带或者功率管理IC来控制的，这样就提高了待机电流。控制越多，功耗也就越高。新的彩色LED驱动可以通过内置命令序列来实现最少的控制。用户可以利用类似于C语言的简单编码来对时间延迟、衰减、闪烁、环路和触发信号进行编程。这些命令被存储到LED驱动中，根据所编程序自动地打开和关闭。由于控制是预先确定的，所以LED驱动能够优化输出功率，并相应地打开或关闭升压转换器。这类LED驱动能根据要求分别实现单输出（单独指示器）、三输出（RGB LED）、六输出（双RGB）或者十二输出（四重RGB）。通常，设备是由串行接口来控制的，因此不需要额外的GPIO即可进行控制。同样，由于封装尺寸一般小于2mm×2mm，因此LED驱动的布局也很简单。
照相手机很常见。高分辨率照相手机带有闪光灯功能，除非在非常黑暗的环境中使用，否则一般不会改变图片质量。整合了Flash LED驱动器的新型Flash LED提供了相当高的飞行强度，这的确改善了图片质量。遗憾的是，闪光功率越高，就越难完成设计。通常，新型LED的功率指标约为3~5W，它反应了最差情况下的电池电流（2~3Amp）。如果设计不当，这样大的电流将引起电池电压急剧下降。最好的方法包括最小化布线限制、屏蔽EMI、使用无线电TX（如果无线电打开，则关闭闪光灯），以及应用超级电容。超低电容是电容高达1F的平板电容。电容可以为Flash LED之类的大电流应有存储能量。闪光灯的LED驱动一般也具有集成式指示LED驱动、安全用闪光定时器、TX禁用引脚、闪光灯的触发引脚和电筒调节。将来，当电池电压范围降至2.3V（新电池技术）以下时，flash LED驱动将需要超级电容方法。

结论
背光LED、键盘LED、flash LED和指示/彩色LED是当今电话设计中非常重要的一部分。设计精良的照明功能和效果会有很大差异-尤其是终端用户看来。设计自然的、省电的照明系统极具挑战性，但是可以利用合适的产品来克服。照明设计始于系统设计和合理划分，而且产品选择对于产品能否取得成功起到很重要的作用。未来的挑战在于：
　● 更大、更亮、色彩更丰富、效率更高的显示器
　● 更亮的相机闪光灯需要更高的功率和新的功率架构
　● 键盘/彩色/指示LED驱动将会具有内置特性，来实现最高的功效，从而延长待机时间
　● 更高的集成度和空间约束会提高集成式照明管理单元的普及率
满足未来的技术要求并不容易，但幸运的是，技术领袖现在就可以提高实现更高性能的解决方案。