平板電腦和智能手機背光燈的精確管理不僅能夠降低功耗，還能使用戶在任何環(huán)境光條件下都能舒適地觀看顯示屏內(nèi)容。背光燈控制應(yīng)用系統(tǒng)由三部分組成：光傳感器、背光燈驅(qū)動器以及亮度算法。

　　如今移動設(shè)備中的背光燈對環(huán)境光的反應(yīng)常常是由應(yīng)用處理器控制的。應(yīng)用處理器必須持續(xù)不斷地輸出脈寬調(diào)制(PWM)信號給LED驅(qū)動器，這樣的結(jié)構(gòu)會造成處理器的額外的負擔(dān)。

　　現(xiàn)有的環(huán)境光反應(yīng)系統(tǒng)常常比較粗糙，導(dǎo)致視覺效果不佳，如背光燈亮度從一個亮度轉(zhuǎn)到另一個亮度時會發(fā)生閃屏，用戶不得不停止背光燈自動調(diào)整功能，并恢復(fù)到手動設(shè)定。這將耗費更多功率，降低電池壽命，同時用戶也享受不到一個有效的背光管理系統(tǒng)帶給用戶的使用舒適度。

　　本文介紹了一項控制移動設(shè)備背光燈的新技術(shù)，使背光燈在環(huán)境光的任何變化下都能自然轉(zhuǎn)換，維持穩(wěn)定的亮度。同樣重要的是，這項技術(shù)能夠減輕應(yīng)用處理器產(chǎn)生脈寬調(diào)制信號(PWM)時的負擔(dān)。移動設(shè)備顯示屏背光燈的運作在智能手機和平板電腦中，應(yīng)用處理器負責(zé)解讀環(huán)境光傳感器(ALS)產(chǎn)生的信號，同時通過調(diào)節(jié)照明管理單元(LED驅(qū)動芯片)中LED燈的驅(qū)動電流來調(diào)節(jié)背光的亮度(如圖1)。這個IC也可控制其他LED(如RGB事件指示LED與鍵盤背光燈)。

圖1移動設(shè)備顯示屏管理系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。

　　ALS位于設(shè)備前端的顯示器附近，它的照度算法能自動補償光圈和屏幕玻璃對光吸收引起的測量偏差。(一勒克斯表示測量區(qū)內(nèi)的光照強度)當(dāng)一個光傳感器被安裝在有衰減的玻璃或深色玻璃后面時，它需要高增益與低噪音才能正確地反映當(dāng)前照度。顯示器LED 5寸顯示屏一般需要包含12個LED燈的背光燈系統(tǒng)。該系統(tǒng)中在電流峰值為20mA時每個LED順向電壓可高達3.2V。很明顯，如果采用有效的環(huán)境光響應(yīng)算法，該系統(tǒng)在非明亮的陽光或同等光線強度下能通過調(diào)節(jié)背光燈亮度來節(jié)省功耗。

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　　現(xiàn)狀評估

　　現(xiàn)有的顯示屏背光燈控制無法提供愉快舒適的用戶體驗，甚至令情況更糟。舉例來說，如果背光燈亮度等級設(shè)定太密集，即使環(huán)境光產(chǎn)生微不足道的變化，顯示屏亮度也會隨之變化，這就導(dǎo)致了視線混亂。如果環(huán)境的亮度發(fā)生突然的或是大幅度的改變，也會讓情況更糟糕。

　　從網(wǎng)絡(luò)或其他來源的用戶反饋顯示，自動背光亮度調(diào)節(jié)會給他們造成困擾，部分用戶因此停用該功能。背光燈電路設(shè)計的目的是在節(jié)能的同時令用戶察覺不到屏幕亮度的改變，從而舒適地瀏覽屏幕內(nèi)容。

　　背光燈亮度管理新技術(shù)

　　最新的測試顯示了一部成功的智能手機是如何發(fā)生這一問題的：當(dāng)顯示屏開啟時，背光燈的亮度是適應(yīng)于環(huán)境光的。手機能根據(jù)環(huán)境光的改變一次性地改變背光燈電流;也就是說，無論環(huán)境光改變幅度多大，屏幕背光燈的亮度會因此固定在第二次的亮度。這一方法能避免背光燈因感測到環(huán)境光變化而頻繁變動，如手在屏幕前晃動等。但這一方法有一個很明顯的缺陷：系統(tǒng)在第一次改變背光燈的亮度后無法優(yōu)化背光燈性能和能源效率。

　　現(xiàn)在，奧地利微電子開發(fā)出了新的顯示系統(tǒng)，屏幕背光燈能夠更有效地適應(yīng)環(huán)境光變化，沒有閃爍或其他干擾視覺的現(xiàn)象。通過整合一系列不同的控制方法就能達到這一目的。奧地利微電子系統(tǒng)采用“柱狀圖”的概念(concept of‘buckets’)：背光的輸出在一定的光強范圍內(nèi)保持恒定，通過引入遲滯來防止閃爍，同時讓背光的亮度從當(dāng)前亮度平滑地過渡到另外一個亮度。

　　盡管這個方法比現(xiàn)有的其他移動設(shè)備使用的方法都要復(fù)雜，但也更有效，實際上它減少了應(yīng)用處理器的負擔(dān)。系統(tǒng)的操作流程可參照圖2。低通濾波器的目的是減慢系統(tǒng)對ALS的測量值作出反應(yīng)。如果沒有這個濾波器，背光燈會對環(huán)境光的任何細小變化作出改變。如果使用者在光線充足的房間內(nèi)在ALS傳感器前反復(fù)揮手，屏幕會同時以同樣的頻率閃爍，導(dǎo)致不良的視覺效果。

圖2線路功能流程圖，顯示不同功率等級間的平滑切換。

　　低通濾波器要求在環(huán)境亮度發(fā)生變化并維持一段時間后才將新的照度值傳給下一步算法。目前市面上許多Android手機的維持時間設(shè)定在五秒。低通濾波器可以是一個計數(shù)器或IIR濾波器，輸入是ALS輸出的照度值，輸出是平滑后的照度值，后續(xù)的算法使用平滑后的照度值(如圖3)。

圖3系統(tǒng)原型的實測顯示，四個區(qū)間的系統(tǒng)實現(xiàn)了效率和用戶體驗的最佳平衡。區(qū)間1為暗室;區(qū)間2為昏暗的房間;區(qū)間3為標(biāo)準(zhǔn)辦公環(huán)境;區(qū)間4為全亮。

　　如果平滑后的照度值在兩個柱狀的臨界值之間跳動(一個柱狀的最低值與相鄰柱狀的最高值)，背光燈輸出就會跟著擺動，這也會引起視覺錯亂。使用平滑濾波器和邊緣遲滯的組合能夠避免類似的波動。

　　環(huán)境光等級的數(shù)目是設(shè)計中的一個決定性因素。如果環(huán)境光區(qū)間設(shè)定太過密集，背光燈亮度的變化就過于頻繁;區(qū)間設(shè)定太稀疏，裝置就不能有效節(jié)能。奧地利微電子在經(jīng)過實測后得出結(jié)論，四個區(qū)間界定對于手機而言是最理想的。

　　該系統(tǒng)的最后一個要素是如何驅(qū)動LED背光燈從當(dāng)前亮度過渡到下一個亮度。一般情況下，驅(qū)動電流的變化會在SmA到lOmA之間。但是如果變化太突然，比如在1毫秒內(nèi)LED的驅(qū)動電流變化SmA，會擾亂使用者的視覺。

　　將驅(qū)動電流的變化時間延長至大約1秒，使用者就幾乎無法察覺變化。更長的轉(zhuǎn)換時間可能導(dǎo)致因LED背光驅(qū)動電流的有限位數(shù)所造成的量化誤差，讓使用者看到階梯式的變化，而不是平滑的轉(zhuǎn)換。

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　　實際的技術(shù)應(yīng)用

　　奧地利微電子開發(fā)了涵蓋上述技術(shù)的演示裝置——一個置于深色玻璃背后的TSL2772光傳感器，具備智能手機所需的高增益與高精確度。TSL2772輸出照度值由應(yīng)用處理器來處理，其中包含了由奧地利微電子開發(fā)的遲滯算法。

　　處理器發(fā)出的控制信號會被傳送到AS3677。AS3677整合了一個背光燈直流一直流轉(zhuǎn)換器和三個高壓電流阱，用于智能手機的光照管理，特點是集成了一個平滑濾波器。平滑濾波器使芯片只需設(shè)定一個新的電流值，而無需處理器的實時參與就可以實現(xiàn)背光輸出的平滑過渡。

　　AS3677光照管理單元提供適合智能手機應(yīng)用的LED驅(qū)動。開發(fā)者可以測試背光燈在TSL2772暴露在不同環(huán)境光下的各種反應(yīng)。