如何实现便携式系统设计中最新提出的照明要求

手持设备和便携式设备的照明设计需求在过去几年中经历了巨大的变化。就在不久前，典型手机用的还是简单的无源LCD显示器，很少或者根本就没有背光。设计师所面临的最大挑战只是在不泄漏系统电池能量的条件下如何高效率地驱动一系列并联或串联的LED。

然而随着设计师开始使用更高性能的彩色显示器，并开始在便携式系统中嵌入像照相机之类的各种增值功能，对电源的要求有了显著提高。如今，典型的蜂窝手机或手持设备都采用很高分辨率、有四个或更多LED产生背光的主显示器。其中许多还采用另外一个小显示器，这些显示器用在翻盖手机的外面，可以提供额外的信息。通常这些子面板要用另外两个LED提供背光。还经常要求电源电路来驱动辅助的RGB状态灯，并为设备的键盘提供背光。

同时，集成的照相功能为便携式系统的电源设计带来了一套全新的要求。嵌入式照相机需要一个闪光灯，通常需要在很短的持续时间内以大功率驱动一个或数个LED来实现。在早期的照相机实现方案中，采用像素还不到1M的CCD，所需的闪光驱动电流也不到100mA。但随着便携式系统设计师开始普遍采用高分辨率的CCD，闪光功能对电源的需求也上升了。如今对许多便携式设备来说，仅仅是实现照相的闪光功能并实现相片的最高分辨率以及红眼校正功能，就需要高达600mA的电流，对于氙气闪光灯来说还要更高(见图：AAT3171的典型应用)。此外，增加其它新的闪光功能或电影模式，将给设计师提出更复杂的电源管理要求和系统设计。

独立实现

通常，便携式系统设计师主要采用独立的实现方案来管理照明设备的功率。对于背光应用，设计师通常使用独立的电荷泵来驱动并联的LED、而采用升压变换器来驱动串连的LED并提供基本的照明功能。彩色显示器增加了对功率的需求，但在早期的设计中，很少可以使设计师灵活地调节照明强度。目前，像控制照明强度的白平衡和产生状态灯的不同色彩的色彩平衡变得越来越重要，从而要求系统控制器或事务管理微控制器提供更复杂的控制。早期，绝大多数的设计师都采用噪声相对较大的模拟PWM控制信号来控制LED亮度和背光功能。

最初，闪光LED功能是作为单独的部分来实现的，只提供简单的开关控制。后来设计师在系统处理器中加入一些基本的算法来控制闪光子系统。由于很少有哪些系统提供闪光强度控制，因此设计师一般通过管理照相机快门来控制到达CCD的光量。但随着嵌入式照相机性能的改进，设计师不得不升级闪光功率管理系统的性能。这些提升的性能要求采用固定的照相快门和对闪光强度的更好控制。为了减少系统控制器的开销，设计师开始采用更具智能的闪光LED控制器。但随着对减小系统尺寸和成本的市场压力的不断增强，以及照明功能的数量、种类和复杂度的持续增加，便携式系统设计师开始寻求更新的方案来替代这些独立的照明子系统。

追求最高集成度

最近，一些电源管理半导体生产厂商宣布在上述功能的纵向集成方面取得了重大进展。将许多电路集成到一个单芯片中不仅可以减少元器件数量，而且减轻了对PCB的空间需求，并使系统处理器的开销减到最小，从而帮助便携式系统设计师降低成本。

高集成度允许设计师不再采用专用的白光LED驱动器来驱动背光设备，也不再需用专用的照相闪光驱动器IC和几片分离的通用LDO或一片双LDO IC，而是采用集成度更高的IC，例如AnalogicTech公司的 AAT2842完整显示解决方案。该方案将上述所有三种功能全部集成在一个4 x 4mm封装的单芯片中(见图：AAT2842方框图)。这些复杂电路包括一个大电流的三模电荷泵，四路30mA输出的白背光LED驱动，四路用于闪光LED的输出驱动和两个通用目的的200mA LDO。也可以将四路闪光LED输出结合起来驱动单个照相机闪光LED，驱动电流可以高达600mA，该指标足以满足目前的高分辨率嵌入式照相机的闪光需求。背光输出还可以用于较低电流的键盘应用。每个LDO可以提供200mA的连续负载电流，而压差仅为200mV。此外，用户可以通过一个范围为1.2-5V的电阻分压器对嵌入在显示器电源管理器件中的每个LDO的输出电压进行编程，从而可以满足范围很广的应用要求。为了简化设计，一路控制信号可以控制两个LDO输出。

在一个单芯片上集成多个功能的风险之一是潜在地受限于设计师配置系统的能力。为了使设计具备最大的灵活性，这些器件增加了两个独立的串行口，从而使设计师能够独立地驱动背光或键盘LED和闪光灯LED。利用这些独立的接口，设计师可以开启、关断或者设置多达16个不同等级的电流来控制背光/键盘和闪光功能。此外，设计师可以通过调整背光或闪光LED使其适合各自的应用需求，从而有助于节省功率。另一方面，还可以通过外部电阻控制背光/键盘和闪光灯LED。

当需要为多个显示器提供背光或增加辅助照明功能时，其他一些高集成度的电源管理IC能够帮助设计师研发效率更高或者更加成本有效的解决方案。这些器件将高效率的三模电荷泵与背光LED、照相机闪光和辅助照明所需的各个驱动器集成在一起。这些IC能够驱动多达6个LED，而不像以前只能驱动四个背光LED。通过为每个通道提供单独的控制，这些新器件使得设计师能够驱动为主显示器提供背光的LED，以及驱动为子面板显示器提供背光的两个LED，或者可以将六个LED全部用于照明单个显示器。

在这些新的IC中，有些IC(例如AnalogicTech公司的 AAT2830)可以提供高达600mA的电流来驱动多达四个闪光LED，并支持日益增加的闪光和电影模式应用方面的普遍需求。此外，这些IC还增加了三个能够提供60mA的驱动器，分别用于RGB，键盘或其它辅助照明应用。位于这些新器件核心位置的三模式电荷泵能够为同时支持背光、闪光和辅助光这三类LED功能提供足够的功率。

为了降低系统控制器的开销，许多新型的显示器电源管理IC还增加了一个集成式闪光计时器。传统上，便携式系统设计师都利用芯片闪光开启端上从高电平到低电平的瞬变来控制闪光的持续时间。如果系统控制软件出问题或控制线断开，采用此架构的设计师将会冒使闪光LED停留在满功率状态的风险。因为闪光LED只能工作很短的时间，这类故障将会很快烧掉LED并会很快地耗尽电池功率。

而通过在新一代显示电源管理IC中最新加入的集成闪光计时器，不仅减小了系统控制器的开销，还提供了真正的安全功能，不会出现上述这些类型的故障。该计时器可以在可编程的时间内逐步减少闪光电流。通过向器件内的定时寄存器装入一个数据来设定接通的时间长度，然后为一个外部定时电容选择一个合适的值。一旦数据被锁存到定时寄存器，闪光电流减少功能就自动开启，经过所编程的时间后就会断开。由于控制器对接通时间是“即设即忘”的，因此该集成式计时器不需要控制器跟踪闪光动作过程。同样，它还能确保闪光LED按照电容值所限定的预定闪光时间开启照明。

本文小结

便携式系设计中照明功能的连续升级并没有放慢的迹象。随统着设计师为用户提供前所未有且范围更广的功能，下一代系统无疑需要增加更新的照明功能。这些革新将不可避免地向设计师提出新的功率管理挑战。

为了解决这些功率管理问题，半导体厂商早已在研发一系列新的器件。这些新器件将电荷泵、升压变换器、背光、闪光、RGB和LDO功能块以全新的方式集成在一起。随着这些照明功能的扩展，以及移动通信和个人电子设备体积的不断变小，新一代纵向集成的系统级器件将在设计师研发更低成本、更高性能系统的过程中扮演至关重要的作用。

作者： Adolfo Garcia,

AnalogicTech公司照明产品部门产品线总监