手机背光驱动的原理与应用

由上式可知，在输出电压一定的情况下，输入电压越小，
电荷泵的效率越高，2X模式下效率如下：
当VIN=3.1V，VOUT=5V时，理论效率可以达到83.3%；
当VIN=4.2V,VOUT=5V时，理论效率最高就只有59.5%。
电荷泵内部开关工作在高速开关状态，所以电荷泵也存在
EMI问题，可以在升压电容处测到其开关波形，但电荷泵的
Cf充电，Cout对负载供电；
2)、放电状态时，开关S2和S3闭合，S1和S4断开，Vin和
Cf串联后对负载供电，同时给Cout充电。输出电压
Vout=Vin+Vcf
充放电的频率取决于开关的开关频率，开关的开关频率由
其前级的控制电路决定。频率越高，则对Cf和Cout的容值要
求越小。取样电阻取出Vout送入误差放大器和Vref进行比
背光等级调节错乱的问题。
较，比较后的信号经放大后控制Cf的充电时间及充电电压，
以达到稳定输出电压的目的。
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背光驱动
1.5X模式原理框图如下：
ENABLE
CONTROL /
OSCILLATOR
VIN
S1
CFLY1
CINLeabharlann S2VOUTS3COUT
CFLY2
S4
.
背光驱动
电荷泵的效率：
2X模式时， =Vout/2*Vin
1.5X模式时， =Vout/1.5*Vin
升压电容，属恒流源型背光驱动IC，每颗灯电流为20mA时，
恒流源的压降为40mV。
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此处压降为40mV
背光驱动
下图是圣邦微电子的SGM3127的应用原理图，该IC也属于
恒流源型背光驱动，其电路更加精简，IC只有6个引脚，EN
脚即当使能脚用同时也是IC的电源管脚。
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背光驱动
恒流源型背光驱动虽然性价比比较高，但在手机行业激烈
强度和If成正比，相同的If下灯的发光强度相同。
手机LCD背光用白光LED正常发光时的If为20mA，Vf一般
为3.0~3.4V 。
LED 在导通时，其电流的变化率远大于前向导通电压的变
化率，所以LED厂家在测试其光学特性及分类时，大多基于
一致的额定电流值（比如5mA 或者20mA），再给出前向导
通电压的变化范围，因而要获得预期的亮度要求，并保证各
接受光源,引导光的散射方向
支撑导光板和所有膜材，防止变形贴歪
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反射自灯管所入射的光，提高光的利用率
背光驱动
1、LED的参数
LED的主要参数是Vf/If，其他的是颜色、亮度、波长、发
光角度、效率、功耗等。
Vf：前降电压，LED发光时自身正负极两端的压降。
If：前降电流，一定发光强度下通过LED的电流，发光
的占空比来调节实际流过LED的电流，占空比为100%时，流
过LED的实际电流即为Imax，占空比为50%时，流过LED的
实际电流即为Imax的50%。
一般使用三角波或锯齿波做载波，调制信号可以是正弦信
号也可以是直流信号，在手机背光调节中该调制信号是直流
信号，改变直流信号的电压，可以改变PWM信号的脉宽，改
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背光驱动
I
内部开关
VIN
+
CIN
-
S2
S1
+
-
S4
CFLY
S3
VOUT
COUT
充电
VIN
I
CIN
S2
S1
+
-
S4
误差放大器
电荷泵基本原理框图
VOUT=2*VIN
.
CFLY
S3
取样电阻
VOUT
+
COUT
-
放电
背光驱动
电荷泵的工作状态可为两部分：充电和放电
1)、充电状态时，开关S1和S4闭合，S2和S3断开，Vin对
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背光驱动
以上条件应用场合不同，侧重点也不同，有的方案中可能
会把背光驱动电路的成本放在第一位，而有的方案中则可能
会把背光驱动电路的性能放在第一位。
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背光驱动
3、白光驱动方式
白光LED驱动方式主要有两种：一种是采用电感升压式
DC/DC升压变换的原理来驱动，所有的LED串联接在一起，
一般也叫做串联型驱动方式；另一种是采用升压式电荷泵驱
变载波信号的频率，可以改变PWM信号的频率。
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背光驱动
数字脉冲调光是一种利用脉冲个数的不同来实现背光调节的
调光方法，此种方法占用一个普通的GPIO口，调光时通过向
背光IC的EN端口发送相应个数的脉冲来实现相应阶数的背光调
节，一般有16阶可调，所发脉冲要满足IC相应的要求。
下图为某IC对脉冲的相应要求，EN脚是芯片的使能引脚，
灯的电流都是一样的，从而保证了每颗灯的亮度一样，发光
亮度均匀是该方式的最大优点。由于各灯采用串联连接方
式，而每颗灯Vf电压为3.0~3.4V，所以该方式的驱动电路就
需要采用DC/DC升压电路把电压升到所需电压，从而会使该
电路产生EMI辐射，可能影响到手机的射频指标。
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背光驱动
以S18-A上用的华润矽威的PT4101为例，典型的串联型背
实际应用中EN脚接PWM信号，通过调节PWM信号的占
空比来调节实际流过LED的电流，使LED从不亮到满亮度之
间逐级可变。我们公司一般设五级，分别为20%、40%、
60%、80%、100%。
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背光驱动
OV管脚为过压输入端，当LED电路出现断路，即IC输出
开路时，FB端的反馈电压恒定为0V，此时IC就会将占空比调
3.0~3.4V，锂电池满电的电压为4.2V，额定电压为3.7V，所
以当锂电池充满电后，其电压足以直接驱动白光LED工作，
此时电荷泵电路不工作，电池的电压通过一个开关直接到
Vout然后驱动LED。而随着电池的放电，电池电压会逐步降
低，当降低到一定的程度不足以直接驱动LED时，电荷泵电
路开始工作。此即所谓集成1X模式和1.5X模式的自适应升压
的竞争中，其价格还是显得较高，所以在成本要求很高的方
案中，直接用LDO来做背光驱动，目前的LDO输出电流一般
都能达到300mA，用来做背光驱动已足够。该背光驱动解决
方案的缺点也是显而易见的：背光不能调节，电流匹配度不
高，但以其较低的价格优势，该解决方案也有一定的市场。
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背光驱动
背光LED亮度调节方法
方案中，省掉电荷泵部分电路，白光LED直接由锂电池驱动
的恒流源模式背光驱动产品已经出现，此种背光驱动IC内部
只有恒流源部分电路，效率比较高，但此种IC在电池电压较
低时（3.4V以下），理论上会出现白光LED变暗的问题，但
实际使用过程中至今还没出现该问题。
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背光驱动
下图为艾为的AW9364的应用原理图，其外围没有电荷泵的
手机背光驱动的原理与应用
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背光驱动
显示屏按其显示原理大致可分为CRT(显像管)、
LCD(液晶)及OLED三类，从市场应用看，手机中
使用的显示屏主流是LCD，OLED只在翻盖机的小
屏中占有少量份额，而CRT在手机中没有用到。
LCD本身不会发光，要想让其显示所要数据和
图像，就必需使用白光背光源，手机中的白光背
光源一般由数个侧发光白色LED灯组成，LED灯
的个数由屏的大小尺寸决定，一般由2~6个不等。
本文就以该LED灯的驱动为对象，介绍手机中背
光驱动的原理与应用。
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背光驱动
下图是手机LCD模组的大概架构，背光LED即在反光膜之
上，导光板之下。
提高光的利用率
将反射光源均匀扩散,遮盖网点,防止
正面出现散射点
整到最大，促使输出端电压越来越高，直到IC烧坏。OV脚连
接到输出端，当监测到输出电压超过20V时，该IC就会关
断 ，直到电源重新上电，从而起到输出开路保护的作用。
有的IC没有OV脚，此种情况需在输出端加一个齐纳二极
管，利用它的击穿来保护内部的开关管，如下图：
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背光驱动
并联型驱动电路
虽然串联型电路具有电流匹配度高和效率高的优点，但
噪声相对于电感式的DC/DC来说是很小的。
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背光驱动
如下图，是早期的固定模式并联驱动电路，该电路的缺点
很明显，一是当电池电压较高时，电路的效率太低 ；二是电
流匹配度较差。
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背光驱动
为了解决固定模式并联驱动电路的缺点，现在的并联驱
动电路一般采用自适应模式升压，并且增加恒流源电路。
白光LED在工作电流为20mA时前向压降一般为
目前手机上常用的背光LED亮度调节方法有两种，一种是
PWM调光，另一种是数字脉冲调光。
PWM(Pulse Width Modulation) 即脉冲宽度调制，该调光
技术是一种利用PWM信号的占空比来调节背光亮度的调光方
法，其信号的频率和占空比都可以通过软件进行设置。一般
通过硬件设置通过LED的最大电流Imax，然后通过设置PWM
是其整体的方案中需要一个功率电感和和一个大的肖特基二
极管，这些使得其综合成本和并联型驱动电路相比没有太大
优势 。同时所需贴片电感尺寸比较大，而且处理不好的话容
易产生EMI问题，所以当前手机上用的背光驱动电路以并联
型电路为主。
早期的并联式驱动电路只是解决了LED所需要的电压问
题，它把电池电压统一通过电荷泵的方式升压到5V或者4.5V
则上需要屏蔽中断，以防止脉冲发送过程中有中断
到来而打断脉冲发送，导致背光调节失败。但MTK
手机系统屏蔽中断的时间有个限制，不能超过
60*12/13us=55.4us，具体的软件有个检测工具可
以判断是否有超过这个时间。如果超过这个时间，
系统就会出现死机等故障，M280-B的死机问题就是
屏蔽中断的时间超过了这个值而引起的。
的这样一个固定的电压，然后每一个LED通过串联一定的电
阻阻值来控制LED的电流。
下面先简要说明电荷泵的升压原理。
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背光驱动
电荷泵升压原理
电荷泵即通常我们看到的charge pump，是DC/DC的一
种，属于电容式DC/DC，它的原理和电感式DC/DC不同，电
感式DC/DC是利用电感来实现升压，而电荷泵则是利用电容
模式，并且在尽可能的情况下，让电路工作在1X的直通模式
下。此种模式的电路成为当今背光驱动的主流模式。1X和
1.5X的转换电压一般为3.5V。
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背光驱动
下图是某背光IC的内部框图，同时带电荷泵和恒流源两部
分电路，Vout输出的是正压。
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背光驱动
下图为RT9364的应用图，该IC内部也包含了电荷泵和恒流
来实现升压，前者的EMI问题比后者严重很多，电荷泵可以
升压，也可以降压，还可以输出反压。手机背光中用到的一
般都是升压，其升压模式有1X、1.5X、2X等。1X模式即输
出电压和输入电压相同，1.5X模式即输出电压是输入电压的
1.5倍，2X模式即输出电压是输入电压的2倍，下面以2X模式
为例说明电荷泵的升压原理。
动电路，所产生的电压一般在5V/4.5V或者是根据LED的正向
导通电压而自适应确定的一个电压，所有的LED并联在一
起，一般也叫做并联型驱动方式。
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背光驱动
串联型驱动电路
串联型驱动电路是出现比较早的驱动电路，早期手机的
LED背光大都采用此种方式 ，顾名思义，串联式驱动电路
中各白光LED采用串联的方式连接在一起，因此，经过各个
个LED 亮度、色度的一致性， 需要相同的驱动电流。
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背光驱动
2、白光LED驱动电路的基本要求
1）满足背光的亮度要求；
2）整个显示屏亮度均匀（不允许有某一部分较亮、另一
部分较暗的情况）；
3）亮度可以方便地调节 ；
4）驱动电路占PCB空间要小；
5）工作效率高；
6）综合成本低；
7）对系统其他模块干扰小 。
光驱动电路如下图所示：
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背光驱动
该IC的FB管脚为反馈输入端，R1为反馈电阻，LED的最大
电流由该反馈电阻控制，IC内部FB管脚上的参考电压为
104mV，反馈电阻的阻值可通过下式算得：
R1=104mV/Iled
若Iled=20mA，则R1=104mV/20mA= 5.2ohm，可选
5.1ohm 的1%精度的电阻。
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背光驱动
案例二：F282上背光等级调节错乱，出现高等级背光比低等
级暗的现象。
分析：F282上用的背光IC也是数字脉冲调光方式。该方式在
调节背光等级的时候，首先要把背光关掉，然后再发
送所要调节等级的对应脉冲。而F282的软件在关背光
时所发送的低电平时间不合背光IC的要求，导致背光
没有关掉就开始发送下一个等级的脉冲，所以出现了
源电路，其电荷泵输出的是负压。
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背光驱动
自适应模式并联背光解决了固定模式并联背光的效率和电
流匹配度的问题，但增加了额外的电路。随着白光LED制造
技术的提高，其在20mA工作时的前向压降有降低的趋势，并
且该电压的一致性有所提高，致使手机背光中白光LED的工
作电压问题成为次要问题，目前，在4灯及其以下的并联背光
所以EN脚的第一个高脉冲保持时间需要大于20us，以打开该
IC，在LED电流大小设置完成后，EN 引脚需保持高电平。同
时当低脉冲保持时间大于2ms时，该IC关闭。
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背光驱动
案例分析
案例一：M280-B上出现无规律死机问题
分析：该项目用的背光IC为AAT3195，其调光模式是数字
脉冲调光，在使用该方式发送脉冲调节背光时，原