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MAX44009應(yīng)用筆記之——輕松控制LCD顯示屏亮度

發(fā)布時間:2012-05-31

中心議題:
  • 背光控制:環(huán)境光傳感器
  • 背光控制:調(diào)節(jié)顯示屏亮度
  • 背光控制:建立連接
  • 背光調(diào)節(jié)方案的實施

引言

環(huán)境光傳感器(ALS)集成電路正越來越多地用于各種顯示器和照明設(shè)備,以節(jié)省電能,改善用戶體驗。借助ALS解決方案,系統(tǒng)設(shè)計師可根據(jù)環(huán)境光強(qiáng)度,自動調(diào)節(jié)顯示屏的亮度。因為背光照明的耗電量在系統(tǒng)的總耗電量中占據(jù)很大的比例,實行動態(tài)的背光亮度控制,可節(jié)省大量的電能。此外,它還能夠改善用戶體驗,讓顯示屏亮度根據(jù)環(huán)境光條件自行調(diào)整到最佳狀態(tài)。

系統(tǒng)實現(xiàn)需要三大部分:監(jiān)測環(huán)境光強(qiáng)的光傳感器、數(shù)據(jù)處理裝置(通常是微控制器)、控制背光輸入電流的執(zhí)行器。

背光控制:環(huán)境光傳感器

圖1是實施背光控制的系統(tǒng)示范框圖。在這套組合中,光傳感器是關(guān)鍵的組成部分,因為它要向系統(tǒng)的其他模塊提供環(huán)境光強(qiáng)信息。光傳感器必須具備將光信號轉(zhuǎn)換成電信號的信號轉(zhuǎn)換器(譬如光電二極管或CdS光敏電阻)和信號放大和/或調(diào)節(jié)裝置以及模/數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)。


圖1. 實施背光控制的系統(tǒng)框圖

圖2所示為分立光電二極管電路,從圖中可以看出,該電路需要一個或多個運(yùn)算放大器:一個用于電流到電壓的轉(zhuǎn)換,可能還需要一級放大,提供附加增益。它還包括一些分支電路,用于供電,確保高度可靠的信號鏈。而在空間極其寶貴的應(yīng)用中,所需元件的數(shù)量過多可能導(dǎo)致空間受限問題。


圖2. 光電二極管電路分立設(shè)計

這里還存在一個更細(xì)微的問題。具體而言,理想情況下,應(yīng)確保環(huán)境光的測量模擬了人眼對光線的響應(yīng)機(jī)制。這通常借助CIE提供的視覺亮度曲線(圖3)。然而,光電二極管很少能夠完全模擬這種響應(yīng)機(jī)制,因為它們通常具有很高的紅外(IR)靈敏度。在IR強(qiáng)度較大的光照條件(譬如白熾燈或日光)下,這種紅外靈敏度會造成錯誤地判斷光線強(qiáng)度。

解決上述問題的方法之一是使用兩個光電二極管:一個采用對可見光和紅外光都很敏感的元件,另一個采用只對紅外光敏感的元件。最終用前者的響應(yīng)值減去后者的響應(yīng)值,將紅外干擾降至最小,獲得準(zhǔn)確的可見光響應(yīng)。

這種解決方案雖然有效,卻增加了分立電路的占用空間。通常還很難、甚至不可能讓兩個分立的光電二極管配合得足夠緊密,以實現(xiàn)消除紅外干擾的目的。如果不配備精密放大器(譬如對數(shù)放大器),動態(tài)范圍可能很小。換句話說,很難利用這種組合獲得可重復(fù)的結(jié)果。


圖3. CIE曲線和典型的光電二極管
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高集成度解決方案不僅能夠獲得比人眼光學(xué)系統(tǒng)更真實的光強(qiáng)數(shù)據(jù),還能夠節(jié)省大量空間MAX44009等環(huán)境光傳感器,可將所有信號調(diào)節(jié)和模/數(shù)轉(zhuǎn)換器集成在一個小封裝(2mm x 2mm UTDFN封裝)內(nèi),從而在空間受限應(yīng)用中有效節(jié)省電路板面積。

圖4提供了MAX44009的功能框圖,采用I²C通信協(xié)議,使其與微控制器的連接方式更簡單,數(shù)據(jù)傳輸速度更快。除此之外,該解決方案的高集成特性使其能夠置于柔性電纜,安裝在離主電路板距離合適的位置。


圖4. MAX44009功能框圖

背光控制:調(diào)節(jié)顯示屏亮度

該控制方案的第二部分是調(diào)節(jié)顯示屏的背光亮度。這可通過多種方式實現(xiàn),具體取決于設(shè)備中的顯示屏模塊。有兩種最簡單的方式,一種是借助脈沖寬度調(diào)制(PWM)方案的直接調(diào)節(jié)方式,另一種是采用顯示屏控制器的間接調(diào)節(jié)方式。

許多顯示屏模塊如今都配有一個集成控制器,用戶可以通過向控制器發(fā)送串行命令,直接設(shè)置背光亮度。如果顯示屏模塊未配備集成控制器,還可安裝一個簡單的背光控制執(zhí)行器,控制顯示屏后面用于背光照明的白光LED燈的輸入電流。實現(xiàn)這種控制的一種簡單辦法是:直接給LED串聯(lián)一個場效應(yīng)晶體管(FET),使用PWM信號快速打開、關(guān)閉FET (圖5)。然而,也可以利用單一芯片(用于LED控制的MAX1698升壓轉(zhuǎn)換器)準(zhǔn)確、可靠地調(diào)節(jié)(圖6),請參考應(yīng)用筆記3866“Low-power PWM output controls LED brightness”,獲取詳細(xì)信息。


圖5. 簡單的PMW控制電路


圖6. 基于MAX1698的LED亮度調(diào)節(jié)器

背光控制:建立連接


最后一步就是在傳感器和執(zhí)行器之間建立連接,通過微控制器實現(xiàn)。有人可能首先要問:“環(huán)境光強(qiáng)如何映射到背光亮度?”事實上,有些文獻(xiàn)專門介紹了相關(guān)方案。其中一種映射方式是,Microsoft®針對運(yùn)行Windows® 7¹操作系統(tǒng)的計算機(jī)提出的。圖7所示曲線是由Microsoft提供的,它可以將環(huán)境光強(qiáng)度映射到顯示屏亮度(以全部亮度的百分比表示)。
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圖7. 將環(huán)境光強(qiáng)映射為最佳顯示屏亮度的曲線示例

這種特殊曲線可以用以下函數(shù)表示:



如果設(shè)備采用的是已集成亮度控制功能的LCD控制芯片,就可通過向芯片發(fā)送指令,輕松設(shè)置背光亮度。如果設(shè)備采用的是PWM直接控制亮度,則要考慮如何將比例信號映射至顯示屏亮度。

在MAX1698示例中,根據(jù)其產(chǎn)品說明書的介紹,可以將驅(qū)動電流映射為電壓。通過這個示例,我們可以假設(shè)LED電流強(qiáng)度幾乎與其電流呈線性關(guān)系。這樣,我們就可以在上述等式中乘上一個系數(shù),計算出PWM所映射的有效電壓,該電壓再被映射至LED電流,最后轉(zhuǎn)化成顯示屏亮度。

方案實施

最好不要從一個亮度級直接跳轉(zhuǎn)到另一個亮度級,而是平滑上調(diào)和下調(diào)背光亮度,確保不同亮度等級之間無縫過渡。為了達(dá)到這一目的,最好采用帶有固定或不同亮度步長、可逐步調(diào)節(jié)亮度的定時中斷,也可采用帶有可控制LED輸入電流的PWM值的定時中斷,或者是能夠發(fā)送到顯示屏控制器的串行指令的定時中斷。圖8提供了這種算法的一個示例。


圖8. 步進(jìn)式亮度調(diào)節(jié)的算法示例

另一個問題是,系統(tǒng)響應(yīng)環(huán)境光強(qiáng)變化的速度。我們應(yīng)盡量避免過快地改變亮度等級。這是因為光強(qiáng)的瞬間變化(譬如一扇窗戶打開或瞬間有一束光掃過)可能導(dǎo)致背光亮度發(fā)生不必要的變化,這往往會造成用戶感覺不適。并且,較長的響應(yīng)時間還有助于減少微控制器對光傳感器的檢測次數(shù),從而可以釋放一定的微控制器資源。

最初級的方法就是每隔一兩秒鐘檢查一次光傳感器,然后相應(yīng)地調(diào)整背光亮度。更好的方法是,只有光線強(qiáng)度偏離特定范圍一定時間后,才對背光亮度進(jìn)行調(diào)節(jié)。譬如,如果正常光強(qiáng)是200lux,我們可能只會在光強(qiáng)降到180lux以下或升至220lux以上,而且持續(xù)時間超過數(shù)秒的情況下才調(diào)節(jié)亮度。幸運(yùn)的是,MAX44009集成了中斷引腳和閾值寄存器,可輕松實現(xiàn)這個目的。
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