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智能驱动器可减少便携式电子系统的能耗,让PCB布局更规整
——智能显示器LED背光驱动器案例分析

作者:Ken Marasco ADI公司 便携式应用组 应用工程经理 负责便携式电源产品的技术支持,具有35年的系统和元器件设计经验。


摘要:低功耗策略有三级,第三级策略专注于在不牺牲性能的条件下降低用电,例如利用分布式智能管理,特点是不需要基带或应用处理器强大的处理能力和速度,允许处理器将全部功能转交给半自动的外围控制器。智能显示器LED背光驱动器就是很好的一个例子,本文以ADP5520智能背光驱动器为例做了介绍。

关键词:便携式;低功耗;智能显示;LED背光驱动

小型便携式电子系统一直在不断向前发展,诸如移动电话、PMP(个人媒体播放器)、DSC(数码相机)、DVC(数字摄像机)、PME(便携式医疗设备)和GPS(全球定位系统),功能特性一代比一代丰富。随之而来的是一些外围电路的要求也趋于雷同,因为它们的电源、端口和MMI(人机界面)都使用相似的技术。

低功耗全功能产品的三种策略

随着便携式系统的功能增加以及性能的提高,对功耗进行管理的需求也日益提高。因此,OEM厂商用来解决功耗问题的策略也在不断发展。

第一级策略专注于能量管理子系统的效率,包括尽量减小DC/DC转换器、LDO、电池管理和电池保护电路上的损耗。

这是一种以电源子系统为中心的方法,很大程度上取决于半导体供应商生产比市场上同类架构器件功耗更低的元件和集成器件的能力。这使OEM工程师的主要任务变成元器件的选择,在能效、元器件成本和封装尺寸等因素之间取得平衡。

虽然这种策略一直非常奏效,元器件市场也意识到了这个益处,但大多数模拟和以模拟为主的混合信号IC厂商并没有从工艺尺寸不断缩减中显著受益。

第二级策略的关注重点从电源转移到了系统中的某些部分,甚至大规模ASIC中某些特定时间不工作的部分。这种策略在应用于无线链路硬件和显示器背光等大能耗用户时特别有效,而且能通过关闭即使功耗并不高的负载(如音频子系统、I/O端口或非易失性配置存储器),来延长每次充电的工作时间。例如目前生产的移动电话就有20或更多的电源域。

除了节省在像射频组件和显示器背光等大功耗电路中的空闲电流引起的功耗外,只要系统可以关闭某个时钟驱动的电路部分,这种策略就能有效降低静态功耗。随着IC制造工艺向前所未有的更小尺寸发展,这种策略可以有效地代替时钟选通达到减小空闲电流的目的。

这种功耗降低策略依赖于系统架构师、软硬件实现人员以及ASIC供应商的技术贡献。虽然这种策略是成功的,但也受到应用处理器的负载数量限制,这些额外特性将迫使设计师耗用更多功耗更大的计算资源。例如,移动手机已经从ARM7转向ARM9和ARM11处理器,将它们作为可选的基带和辅助处理资源。其它便携式电子产品也有类似的趋势,虽然程度上有所不及。

第三级策略专注于在不牺牲性能的条件下降低各种功能的用电。一种可行的技术是利用分布式智能管理,特点是不需要基带或应用处理器强大的处理能力和速度。

这种策略允许处理器将全部功能转交给半自动的外围控制器。结果形成这样的工作模式:处理器可以在以人活动而非数据处理或通信任务期间进入睡眠状态,不过,数据处理或通信任务需要发挥处理器的全部能力。智能显示器背光驱动器就是很好的一个例子。

第三级策略下的背光照明方案

便携式电子产品的用户需要在各种环境光线条件下都有清晰可见的屏幕显示。目前便携式产品经常使用光敏二极管或光敏晶体管估测环境光线亮度,并以此作为背光驱动器控制的输入。光敏传感器需要信号调理电路:以直流偏置、放大和模数转换或者至少一两级门限检测形式的激励。

要么通过外部元件,要么通过片上模拟I/O引脚,主处理器通常以定期数据转换的方式监测光敏传感器的输出。这种转换的速度在每秒1到几次数量级。控制器随后评估转换结果,通常将结果分成三种等级,分别对应整个白天、灯光明亮的室内环境或灯光暗淡的环境。

处理器是这样完成控制过程的:将控制信号发送给背光驱动器,再由驱动器向LED串提供三种可能的电流等级中的一种。但这种做法效率不高。实际上这是微处理器管理的一种方式:在功能强大且运行成本高昂的中心资源监测下,将任务委派给具有较低运行成本的系统某个部分。这样做看起来似乎无助于处理器任务卸载。

一赢:智能驱动器转移处理器任务

基于ADP5520智能背光驱动器的方案可从LED驱动器获得显著的节能,这种LED驱动器可以在微控制器配置控制下工作,或者自动管理显示器照明。ADP5520由一个非同步升压转换器、一个可编程环境光线管理电路、一个状态机和一个可以进一步节省系统资源的可配置端口扩展器组成。

升压转换器可以给多达6个串联的白光LED供电,串联电压可以高达24.5V,驱动电流高达30mA。环境光线测量部分为环境光线传感器提供所有信号调理功能,并与片上的状态机和升压转换器一起实现0~30mA共128个电流等级。

由于有个处理器只执行与控制曲线相仿的光线控制服务,在模拟各种移动手机使用率的测试中(图1),ADP5520可以使每次充电的工作时间延长15%。在ADP5520控制方法中增加环境光线检测功能,可以使每次充电的待机时间比基准测量值多50%。这些曲线模拟了不需要射频功能的手机交互式应用,如游戏、文本和电子邮件消息阅读和撰写或相机应用。


图1:智能背光控制器可以通过卸载处理器任务实现节能。增加ALS(环境光线检测)可以进一步提升节能效果。

设计师希望他们的产品可在不同光线等级之间平滑过渡,而不只是切换。处理器控制下的光照方案需要大量处理器交互才能实现平滑过渡,因此与简单的开关控制相比,这种方案大大增加了处理器的负载。智能LED驱动器,例如ADP5520,可以实现多种渐亮渐暗电流变化,包括线性、平方律和立方律,因而可进一步减轻处理器负载(图2)。这种可配置的驱动器具有15种不连续并且独立的渐亮渐暗时间,范围从300ms~5.5s。片上有个可复位的调光定时器,可编程为从10s~120s共15种时间间隔中的一种。


图2:智能背光LED驱动器(如ADP5520)不用处理器干涉就可以实现多种渐亮和渐暗曲线。

二赢:智能驱动器提供额外的低带宽功能

除了节能外,这种智能驱动器可以通过实现其它低带宽外设功能提供更多价值。例如,ADP5520集成了一个可配置的端口扩展器,这个扩展器提供8个I/O引脚。

也可以将两个I/O引脚连接到第三个专用引脚,作为具有可编程调光、开关和闪烁控制功能的LED指示器用的独立电流吸收(current sink)引脚。剩下的引脚是可编程的,用于键盘或通常I/O。

这些辅助LED驱动器可以消耗0~14mA的电流,并且可以通过64个步进实现渐亮或渐暗。与主背光电流消耗一样,与辅助驱动器引脚相连的指示器可以切换开关状态,或者通过线性或非线性序列实现光线调节。

三赢:智能驱动器可减少PCB走线数量

为了让配置数据从处理器流向智能驱动器,让状态、I/O或击键数据流回处理器,ADP5520实现了I2C接口。这种设置可以减少外设和控制器之间的器件和走线的数量,从而简化高密度便携式电子设备中的PCB(印制电路板)设计。


图3:ADP5520的两个I/O引脚可以被编程为LED指示器的电流吸收引脚。与专用LED指示器电流吸收引脚一样,每个引脚可以吸收高达14mA的电流,并且可以提供简单的开关控制或64个步进的光线调节。

当用枢纽或滑块(hinge or slider mechanism)将显示器、指示器和键盘与处理器分割开时,节能效果将更加显著。在这种情况下,带片上端口扩展器的智能LED驱动器可以减少与产品另一半连接的柔性电路的尺寸和成本(图4)。


图4:ADP5520的端口扩展可以帮助您将连到处理器的走线数量降至最少。当信号要通过铰链或滑条装置传送时,这种安排可以实现真正的成本节省。

参考文献:

[1]ADP5520:Backlight driver with I/O expander[R/OL]. http://www.analog.com/zh/power-management/display-and-lighting/adp5520/products/product.html

[2]Marasco K.Running Low and Long[J/OL].Appliance Magazine,(2009-8). http://www.appliancemagazine.com/print.php?article=2260

[3] Christian A. Innovative Power Reduction Techniques Enable Handset Manufacturers to Provide Media Rich Devices [J/OL].LED Journal,(2009-9-1). http://www.ledjournal.com/images/PDFs/Online%20Issues/2009/LED_AugSept09.pdf#page=32

[4] Marasco K. Optimizing Power Systems For Portable Electronic Devices [R/OL].(2009-7-1). http://powerelectronics.com/images/PET070109.pdf

[5] Finn G. New Touch-Screen Controllers Offer Robust Sensing for Portable Displays[R/OL].(2010-2). http://www.analog.com/library/analogDialogue/archives/44-02/touch_screen.html

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