如何降低便攜式設(shè)備的背光源的功率消耗

目前，在便攜式消費性電子設(shè)備上，所使用較大的LCD顯示屏是采用背光方式，并且需要密集運用處理器，而其背后所代表的意義，就是讓已經(jīng)很有限的電池容量汲取出更長且更大的電流。

以往的單色顯示屏其背光源采用兩顆綠色LED，只需要消耗移動設(shè)備總體功率消耗的10％。而現(xiàn)在，多媒體設(shè)備所需要的較大與較高分辨率彩色顯示屏，讓使用中與背光源的功率消耗增加超過了50％。

雖然有最新的先進(jìn)電池技術(shù)，但是電池容量的發(fā)展速度仍然無法跟上多媒體移動設(shè)備對于額外能源的需求。由于電池技術(shù)無法以相同的步調(diào)改善，因此便攜式設(shè)備生產(chǎn)廠商在設(shè)法符合消費者的期盼時就會遇到困難。除非他們能夠開發(fā)出降低功率消耗或是提高電池容量的創(chuàng)新方法，否則他們就必須要為了那些特性而犧牲電池的使用時間。

除了像是以時間為基準(zhǔn)的調(diào)暗（time based dimming）、顯示屏逾時（display timeout）、以及可供使用者選擇的亮度設(shè)定等技術(shù)之外，許多的移動設(shè)備生產(chǎn)廠商會使用環(huán)境照明感測（ALS）、動態(tài)背光控制（cABC）、以及袖珍鍵盤/通用輸入輸出（GPIO）擴(kuò)充器的使用等方式，藉以協(xié)助降低電流的流出。

對于大部分的便攜式設(shè)備生產(chǎn)廠商而言，顯示屏背光源已經(jīng)成為最重要的電池電流消耗重點之一。具有高分辨率彩色顯示屏的多媒體設(shè)備，在任何時間都需要有適當(dāng)?shù)谋彻庠?，以避免可視性能與可讀性的降級。

盡管具有高反射式顯示屏是一直都需要背光源，同時又具有相對較高的功率消耗，但是卻依然受到移動設(shè)備生產(chǎn)廠商的偏愛。此類型顯示屏的室內(nèi)性能、NTSC色域比、高對比度以及高亮度已經(jīng)使其在同類型組件中獲得勝出。為了要降低背光源的功率消耗，盡可能地控制管理背光源強(qiáng)度已經(jīng)成為必要的措施。

雖然設(shè)備可以在無動作期間將背光源變暗，藉以節(jié)省電力，但是許多的設(shè)備仍然有需要讓背光源在與使用者互動的長時間內(nèi)維持開啟狀態(tài)的應(yīng)用程序例如網(wǎng)頁瀏覽、電子郵件、GPS導(dǎo)航、游戲、或是視頻播放等。

在產(chǎn)品設(shè)定選單中的亮度控制可以讓使用者調(diào)整背光源強(qiáng)度，以便在這些使用情況下節(jié)省電力，但這需要由使用者輸入，而且需要針對不同的環(huán)境照明條件進(jìn)行多重改變，以期真正的發(fā)揮其效用。對于使用者來說，這些技術(shù)不再具有實用價值，而且也不足以因應(yīng)目前密集又獨特的使用狀況。

環(huán)境照明感測（ALS）

LCD或是袖珍鍵盤對于背光源的需求量可能會隨著照明環(huán)境的改變而大幅變更。通過環(huán)境照明感測功能，光電二極管或是晶體管可以測量出局部的照明強(qiáng)度。光線的可能是太陽、辦公室照明或者月光。由傳感器所擷取到的光線量能夠轉(zhuǎn)換成電流或是電壓。以預(yù)設(shè)的臨界值為基礎(chǔ)，背光源驅(qū)動器或是處理器就可以判定LCD或是袖珍鍵盤需要多少背光。

在晴朗環(huán)境下要驅(qū)動所需要的高電流會浪費掉在照明較黯淡環(huán)境下所需的能源，而且可能會使眼睛在昏暗環(huán)境中疲勞。依據(jù)環(huán)境照明條件而改變背光強(qiáng)度，對于典型的使用狀況而言，可以節(jié)省超過60％在明亮環(huán)境中驅(qū)動背光LEDs所需要的電量。

ALS的實現(xiàn)方法

有一些生產(chǎn)廠商會使用一顆模擬或是數(shù)字照明傳感器IC來對環(huán)境照明進(jìn)行感測。模擬式照明傳感器會將光線轉(zhuǎn)換成電流，而數(shù)字式照明傳感器則采用內(nèi)部的ADC產(chǎn)生數(shù)字的比特流。模擬式照明傳感器由于實現(xiàn)方式較簡單，因此價格比較不貴。

不論使用何種傳感器，其輸出必須要加以譯碼才能夠使用。有許多的設(shè)計會使用主要處理器來對傳感器輸出進(jìn)行譯碼，并且控制背光源。然而，主要處理器速度必須要夠快才能應(yīng)付諸多的多媒體特點，因此其更高的速度與頻寬，也代表有更多的電流會因為ALS偵測功能而流出。將處理器的介入最小化，對于降低電池消耗而言是相當(dāng)重要的。

有某些IC如ADI的ADP 5501以及ADP 5520中整合了光線輸入譯碼功能以及背光驅(qū)動器控制功能。將照明偵測器智能整合于背光驅(qū)動器當(dāng)中有多項優(yōu)點。首先，驅(qū)動器會使用簡易狀態(tài)機(jī)器來執(zhí)行其作業(yè)，讓用于執(zhí)行譯碼與背光控制的電流耗損降低至20μA以下。其次，所有功能都在單一封裝芯片當(dāng)中，因此可以將PCB布局中連結(jié)與走線的數(shù)量最小化。第三，可以將背光驅(qū)動器以及主要處理器之間的往返通信最小化。

為了使手機(jī)生產(chǎn)廠商獲得彈性，這些整合式組件都具有可編程的臨界值、磁滯（hysteresis）、以及過濾時間。由于所有的機(jī)構(gòu)設(shè)計都不相同，因此具有彈性而足以應(yīng)付所有狀況的智能型驅(qū)動器就相當(dāng)?shù)闹匾??？删幊膛R界值讓手機(jī)生產(chǎn)廠商可以將光線輸入的范圍（以日光、辦公室環(huán)境或是昏暗狀態(tài)作為考慮）加以編程。在每一組臨界值中的磁滯使背光源免于來回的切換。過濾時間讓使用者可以針對設(shè)備在背光源進(jìn)行調(diào)整之前，需要暴露在照明環(huán)境中多久的時間予以編程。對于手機(jī)生產(chǎn)廠商其產(chǎn)品與產(chǎn)品之間所需要校正的差異，這些類型的調(diào)整使他們更能在進(jìn)行校正時獲得彈性。

顯示屏背光源的分析

顯示屏背光源使用六組以18 mA驅(qū)動、由電池（假設(shè)為3.5V LED正向電壓、85％驅(qū)動器效率、以及4.0V電池）汲取111 mA的串聯(lián)式LED。因此，假如在所有運作時間內(nèi)都以最大強(qiáng)度驅(qū)動的話，顯示屏背光源本身可以在9.9個小時內(nèi)將1100 mAh的電池耗盡。顯示屏并不需要在所有的狀況下都以最大的背光強(qiáng)度發(fā)光，這將可以在照明較差的環(huán)境中像是辦公室、電影院、以及晚上的戶外顯著的節(jié)省電力。

圖1 具有整合式光電傳感器輸入的串聯(lián)式背光驅(qū)動器，以及迷你鍵盤/GPIO擴(kuò)充器

晴朗天候下的照度從3萬2000到10萬lux（流明），比明亮辦公室中的400lux還要高出了100倍之多，因此在從戶外進(jìn)入室內(nèi)時，將背光強(qiáng)度減半或是更多，不會對顯示屏的可用性與可讀性造成任何的損失。大部分的人平均花費其60％的時間在辦公室內(nèi)，因此像這樣將背光亮度減低的方法可以使電流的流出減少大約50％或者更多。在前一個例子當(dāng)中背光源的功率消耗將會從 111mA降到55.5mA。使用ALS時，相同的顯示屏在使用1100mAh電池時可以持續(xù)19.8小時。

動態(tài)背光控制（cABC）

動態(tài)背光控制（Content Adaptive Backlight Control）是一種分析顯示內(nèi)容，并且依據(jù)圖像的灰階內(nèi)容以及伽瑪校正技術(shù)調(diào)整顯示屏背光的方法。顯示屏驅(qū)動器會以視頻灰階內(nèi)容與伽瑪校正為準(zhǔn)，采用不同的工作周期輸出PWM波形到背光驅(qū)動器中。背光源會針對較暗的圖像而減弱。這可以降低背光源的功率消耗，并且加強(qiáng)顯示屏的對比度，同時維持清晰的顯示質(zhì)量。這種方法在場景會在延長的時間內(nèi)由明亮變?yōu)榛璋档囊曨l播放狀態(tài)下特別有用。cABC也可以針對靜態(tài)圖像與標(biāo)準(zhǔn)的選單屏幕減少電流的流出。

在移動式產(chǎn)品中的使用者接口能夠加以特別制作，以便利用這些節(jié)省下來的電力。cABC可以依據(jù)圖像數(shù)據(jù)而使顯示屏的電力減少20％至50％。與ALS結(jié)合之后，電力的節(jié)省可以超過70％。IC生產(chǎn)廠商已經(jīng)開始設(shè)計結(jié)合ALS與 Cabc兩者功能的省電IC。

圖2 動態(tài)背光控制（cABC）

袖珍鍵盤的背光源

除了顯示屏背光源之外，ALS也可以節(jié)省袖珍鍵盤（keypad）背光源的電力。大部分的袖珍鍵盤都具有一層可見的絲幕（silkscreen），在有環(huán)境照明的情況下不需要背光源。以LED或是電致發(fā)光燈（EL）技術(shù)為基礎(chǔ)的一般尺寸袖珍鍵盤背光源大約會從電池汲取30mA的電流。如果沒有ALS，袖珍鍵盤就必須隨時都保持背光啟動，而這將會浪費許多的能源。使用ALS，背光驅(qū)動器可以將袖珍鍵盤的背光關(guān)閉或是調(diào)暗，進(jìn)而節(jié)省數(shù)百mAh的電流。具有整合式ALS控制的背光驅(qū)動器會在光線改變之間提供中斷通知，使處理器可以在袖珍鍵盤或是其它外圍照明上進(jìn)行調(diào)整。

對于一組能夠以1100mAh電池播放7個小時視頻的設(shè)備，111mA的顯示屏背光電流消耗所代表的是在視頻模式下70％的總電流耗損。將顯示屏背光源電流消耗以ALS方式減半，可以使視頻播放時間從7小時增加到10.8小時。 表1中所示為在不同照明環(huán)境下，以ALS所節(jié)省的電力。前一個例子中的顯示屏以及袖珍鍵盤背光源，在全開的狀況下總共會汲取141mA的電流。在日光下，袖珍鍵盤可以完全的關(guān)閉，這將可以節(jié)省21％的背光源電流。而真正能夠節(jié)省電流耗損的是在辦公室以及昏暗環(huán)境下。顯示屏背光源電流可以輕易的降低50％， 而且不會使顯示質(zhì)量出現(xiàn)顯著的降級，而在此情況下袖珍鍵盤的背光源一樣是可以完全關(guān)閉的。使用ALS方法，兩者背光源的電流消耗能夠減少61％。將袖珍鍵盤背光源在昏暗環(huán)境下以最大電流維持開啟，同時將顯示屏背光源降低至24 mA后可以換得62 ％的電流節(jié)省。

表1 在不同的照明環(huán)境下，ALS對于背光源電流消耗的影響

GPIO袖珍鍵盤擴(kuò)充器

在設(shè)計廠商與電池毫安/小時之電流流出的奮戰(zhàn)中，四處探索可以節(jié)省電力的部分變得相當(dāng)?shù)闹匾?。近期以來，文字短信已?jīng)增加了100倍之多。青少年以發(fā)短信給他們的朋友與戀愛對象取代了移動電話的交談。雖然不會像背光源的功率消耗那么顯著，不過每一個按鍵動作就會觸動應(yīng)用處理器，進(jìn)而在數(shù)毫秒內(nèi)消耗數(shù)百毫安的電流。一天之內(nèi)就會快速的累積數(shù)千個按鍵動作，進(jìn)而消耗掉數(shù)十毫安/小時的電池容量。為了增加處理器的頻寬以及將處理器的電流消耗最小化，手機(jī)設(shè)計廠商利用袖珍鍵盤擴(kuò)充器（keypad expander）來控制QWERTY移動電話設(shè)計中的袖珍鍵盤。袖珍鍵盤擴(kuò)充器像是ADI的 ADP 5588等能夠處理所有的按鍵動作，節(jié)省處理器的頻寬與電流消耗。按鍵鎖定能力以及照明傳感器解碼等的特點也都被整合于該IC當(dāng)中，有助于節(jié)省額外的頻寬與電流消耗。

對于更大更高分辨率彩色顯示屏的需求，在未來的數(shù)年內(nèi)將會持續(xù)的增長。具備了cABC、ALS以及其它電流節(jié)省技術(shù)的設(shè)備，讓消費者能夠以精致的顯示質(zhì)量觀賞視頻、瀏覽網(wǎng)頁、與傳送文字短信，并且將背光源的功率消耗維持在控制范圍內(nèi)。持續(xù)的找出減少背光源功率消耗的方法將會形成一項挑戰(zhàn)，但是已經(jīng)有新方法能夠因應(yīng)顯示屏與處理器的高功率消耗。使用ALS、cABC、GPIO/袖珍鍵盤擴(kuò)充器、以及其它創(chuàng)新的降低功率消耗技術(shù)，將可以使生產(chǎn)廠商制作出現(xiàn)今消費者所渴求之具有豐富媒體的設(shè)備，而且不會犧牲多媒體的諸多特點或是延長的電池使用時間。