智能驅(qū)動(dòng)器可減少便攜式電子系統(tǒng)的能耗,讓PCB布局更規(guī)整

摘要：低功耗策略有三級(jí)，第三級(jí)策略專注于在不犧牲性能的條件下降低用電，例如利用分布式智能管理，特點(diǎn)是不需要基帶或應(yīng)用處理器強(qiáng)大的處理能力和速度，允許處理器將全部功能轉(zhuǎn)交給半自動(dòng)的外圍控制器。智能顯示器LED背光驅(qū)動(dòng)器就是很好的一個(gè)例子，本文以ADP5520智能背光驅(qū)動(dòng)器為例做了介紹。

關(guān)鍵詞：便攜式；低功耗；智能顯示；LED背光驅(qū)動(dòng)

DOI：10.3969／i.issn.1005-5517.2010.03.002

小型便攜式電子系統(tǒng)一直在不斷向前發(fā)展，諸如移動(dòng)電話、PMP(個(gè)人媒體播放器)、DSC(數(shù)碼相機(jī))、DVC(數(shù)字?jǐn)z像機(jī))、PME(便攜式醫(yī)療設(shè)備)和GPS(全球定位系統(tǒng))，功能特性一代比一代豐富。隨之而來的是一些外圍電路的要求也趨于雷同，因?yàn)樗鼈兊碾娫础⒍丝诤蚆MI(人機(jī)界面)都使用相似的技術(shù)。

低功耗全功能產(chǎn)品的三級(jí)策略

隨著便攜式系統(tǒng)的功能增加以及性能的提高，對(duì)功耗進(jìn)行管理的需求也日益提高。因此，OEM廠商用來解決功耗問題的策略也在不斷發(fā)展。

第一級(jí)策略專注于能量管理子系統(tǒng)的效率，包括盡量減小DC／DC轉(zhuǎn)換器、LDO、電池管理和電池保護(hù)電路上的損耗。

這是一種以電源子系統(tǒng)為中心的方法，很大程度上取決于半導(dǎo)體供應(yīng)商生產(chǎn)比市場(chǎng)上同類架構(gòu)器件功耗更低的元件和集成器件的能力。這使OEM工程師的主要任務(wù)變成元器件的選擇，在能效、元器件成本和封裝尺寸等因素之間取得平衡。

雖然這種策略一直非常奏效，元器件市場(chǎng)也意識(shí)到了這個(gè)益處，但大多數(shù)模擬和以模擬為主的混合信號(hào)Ic廠商并沒有從工藝尺寸不斷縮減中顯著受益。

第二級(jí)策略的關(guān)注重點(diǎn)從電源轉(zhuǎn)移到了系統(tǒng)中的某些部分，甚至大規(guī)模ASIC中某些特定時(shí)間不工作的部分。這種策略在應(yīng)用于無線鏈路硬件和顯示器背光等大能耗用戶時(shí)特別有效，而且能通過關(guān)閉即使功耗并不高的負(fù)載(如音頻子系統(tǒng)、I／O端口或非易失性配置存儲(chǔ)器)，來延長每次充電的工作時(shí)間。例如目前生產(chǎn)的移動(dòng)電話就有20或更多的電源域。

除了節(jié)省在像射頻組件和顯示器背光等大功耗電路中的空閑電流引起的功耗外，只要系統(tǒng)可以關(guān)閉某個(gè)時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)的電路部分，這種策略就能有效降低靜態(tài)功耗。隨著IC制造工藝向前所未有的更小尺寸發(fā)展，這種策略可以有效地代替時(shí)鐘選通達(dá)到減小空閑電流的目的。

這種功耗降低策略依賴于系統(tǒng)架構(gòu)師、軟硬件實(shí)現(xiàn)人員以及ASIC供應(yīng)商的技術(shù)貢獻(xiàn)。雖然這種策略是成功的，但也受到應(yīng)用處理器的負(fù)載數(shù)量限制，這些額外特性將迫使設(shè)計(jì)師耗用更多功耗更大的計(jì)算資源。例如，移動(dòng)手機(jī)已經(jīng)從ARM7轉(zhuǎn)向ARM9和ARMl 1處理器，將它們作為可選的基帶和輔助處理資源。其它便攜式電子產(chǎn)品也有類似的趨勢(shì)，雖然程度上有所不及。

第三級(jí)策略專注于在不犧牲性能的條件下降低各種功能的用電。一種可行的技術(shù)是利用分布式智能管理，特點(diǎn)是不需要基帶或應(yīng)用處理器強(qiáng)大的處理能力和速度。

這種策略允許處理器將全部功能轉(zhuǎn)交給半自動(dòng)的外圍控制器。結(jié)果形成這樣的工作模式：處理器可以在以人活動(dòng)而非數(shù)據(jù)處理或通信任務(wù)期間進(jìn)入睡眠狀態(tài)，不過，數(shù)據(jù)處理或通信任務(wù)需要發(fā)揮處理器的全部能力。智能顯示器背光驅(qū)動(dòng)器就是很好的一個(gè)例子。第三級(jí)策略下的背光方案

便攜式電子產(chǎn)品的用戶需要在各種環(huán)境光線條件下都有清晰可見的屏幕顯示。目前便攜式產(chǎn)品經(jīng)常使用光敏二極管或光敏晶體管估測(cè)環(huán)境光線亮度，并以此作為背光驅(qū)動(dòng)器控制的輸入。光敏傳感器需要信號(hào)調(diào)理電路：以直流偏置、放大和模數(shù)轉(zhuǎn)換或者至少一兩級(jí)門限檢測(cè)形式的激勵(lì)。

要么通過外部元件，要么通過片上模擬I／O引腳，主處理器通常以定期數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的方式監(jiān)測(cè)光敏傳感器的輸出。這種轉(zhuǎn)換的速度在每秒l到幾次數(shù)量級(jí)。控制器隨后評(píng)估轉(zhuǎn)換結(jié)果，通常將結(jié)果分成三種等級(jí)，分別對(duì)應(yīng)整個(gè)白天、燈光明亮的室內(nèi)環(huán)境或燈光暗淡的環(huán)境。

處理器是這樣完成控制過程的：將控制信號(hào)發(fā)送給背光驅(qū)動(dòng)器，再由驅(qū)動(dòng)器向LED串提供三種可能的電流等級(jí)中的一種。但這種做法效率不高。實(shí)際上這是微處理器管理的一種方式：在功能強(qiáng)大且運(yùn)行成本高昂的中心資源監(jiān)測(cè)下，將任務(wù)委派給具有較低運(yùn)行成本的系統(tǒng)某個(gè)部分。這樣做看起來似乎無助于處理器任務(wù)卸載。

一贏：智能驅(qū)動(dòng)器轉(zhuǎn)移處理器任務(wù)

基于ADP5520智能背光驅(qū)動(dòng)器的方案可從LED驅(qū)動(dòng)器獲得顯著的節(jié)能，這種LED驅(qū)動(dòng)器可以在微控制器配置控制下工作，或者自動(dòng)管理顯示器照明。ADPS520由一個(gè)非同步升壓轉(zhuǎn)換器、一個(gè)可編程環(huán)境光線管理電路、一個(gè)狀態(tài)機(jī)和一個(gè)可以進(jìn)一步節(jié)省系統(tǒng)資源的可配置端口擴(kuò)展器組成。

升壓轉(zhuǎn)換器可以給多達(dá)6個(gè)串聯(lián)的白光LED供電，串聯(lián)電壓可以高達(dá)24.5V，驅(qū)動(dòng)電流高達(dá)30mA。環(huán)境光線測(cè)量部分為環(huán)境光線傳感器提供所有信號(hào)調(diào)理功能，并與片上的狀態(tài)機(jī)和升壓轉(zhuǎn)換器一起實(shí)現(xiàn)0～30mA共128個(gè)電流等級(jí)。

由于有個(gè)處理器只執(zhí)行與控制曲線相仿的光線控制服務(wù)，在模擬各種移動(dòng)手機(jī)使用率的測(cè)試中(圖1)，ADP5520可以使每次充電的工作時(shí)間延長15％。在ADP5520控制方法中增加環(huán)境光線檢測(cè)功能，可以使每次充電的待機(jī)時(shí)間比基準(zhǔn)測(cè)量值多5096。這些曲線模擬了不需要射頻功能的手機(jī)交互式應(yīng)用，如游戲、文本和電子郵件消息閱讀和撰寫或相機(jī)應(yīng)用。

設(shè)計(jì)師希望他們的產(chǎn)品可在不同光線等級(jí)之間平滑過渡，而不只是切換。處理器控制下的光照方案需要大量處理器交互才能實(shí)現(xiàn)平滑過渡，因此與簡(jiǎn)單的開關(guān)控制相比，這種方案大大增加了處理器的負(fù)載。智能LED驅(qū)動(dòng)器，例如ADP5520，可以實(shí)現(xiàn)多種漸亮漸暗電流變化，包括線性、平方律和立方律，因而可進(jìn)一步減輕處理器負(fù)載(圖2)。這種可配置的驅(qū)動(dòng)器具有15種不連續(xù)并且獨(dú)立的漸亮漸暗時(shí)間，范圍從300ms～5.5s。片上有個(gè)可復(fù)位的調(diào)光定時(shí)器，可編程為從10s～120s共15種時(shí)間間隔中的一種。

二贏：智能驅(qū)動(dòng)器提供額外的低帶寬功能

除了節(jié)能外，這種智能驅(qū)動(dòng)器可以通過實(shí)現(xiàn)其它低帶寬外設(shè)功能提供更多價(jià)值。例如，ADP5520集成了一個(gè)可配置的端口擴(kuò)展器，這個(gè)擴(kuò)展器提供8個(gè)I／O引腳。

也可以將兩個(gè)I／O引腳連接到第三個(gè)專用引腳，作為具有可編程調(diào)光、開關(guān)和閃爍控制功能的LED指示器用的獨(dú)立電流吸收(current sink)引腳。剩下的引腳是可編程的，用于鍵盤或通常I／O。

這些輔助LED驅(qū)動(dòng)器可以消耗0～14mA的電流，并且可以通過64個(gè)步進(jìn)實(shí)現(xiàn)漸亮或漸暗。與主背光電流消耗一樣，與輔助驅(qū)動(dòng)器引腳相連的指示器可以切換開關(guān)狀態(tài)，或者通過線性或非線性序列實(shí)現(xiàn)光線調(diào)節(jié)。

三贏：智能驅(qū)動(dòng)器可減少PCB走線數(shù)量

為了讓配置數(shù)據(jù)從處理器流向智能驅(qū)動(dòng)器，讓狀態(tài)、I／o或擊鍵數(shù)據(jù)流回處理器，ADPS520實(shí)現(xiàn)了12C接口。這種設(shè)置可以減少外設(shè)和控制器之間的器件和走線的數(shù)量，從而簡(jiǎn)化高密度便攜式電子設(shè)備中的PCBf印制電路板)設(shè)計(jì)。

當(dāng)用鉸鏈或滑塊(hinge or slider mechanism)將顯示器、指示器和鍵盤與處理器分割開時(shí)，節(jié)能效果將更加顯著。在這種情況下，帶片上端口擴(kuò)展器的智能LED驅(qū)動(dòng)器可以減少與產(chǎn)品男一半連接的柔性電路的尺寸和成本(圖4)。