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移動(dòng)設備曾有一段時(shí)間使用黑白顯示器，其背光使用兩個(gè)綠色發(fā)光二極管，背光功耗僅占移動(dòng)設備總功耗的10%。而今，多媒體設備使用面積更大、清晰度更高的彩色顯示器，顯示器使用的時(shí)間也增長(cháng)了，背光功耗已提高到總功耗的50%以上。 盡管電池技術(shù)取得了一些新進(jìn)展，但電池容量的增加速度跟不上多媒體移動(dòng)設備能量需求的增加。由于電池技術(shù)的進(jìn)步跟不上電池使用需求，因此便攜設備制造商難以滿(mǎn)足消費者的期望，除非開(kāi)發(fā)出降低功耗或提高電池容量的新方法，否則增加新功能就不可避免地會(huì )縮短電池使用時(shí)間。 除了基于時(shí)間的調光、顯示器暫停和亮度設置(由用戶(hù)設定)等方法外，許多移動(dòng)設備制造商正在采用環(huán)境光線(xiàn)感應(ALS)、內容自適應背光控制(cABC)和鍵盤(pán)/GPIO擴展器來(lái)減少電流消耗。 對于大多數便攜設備制造商來(lái)說(shuō)，顯示器背光成為導致電池很快耗盡的最主要原因之一。帶有高分辨率彩色顯示器的媒體密集型設備要求顯示器在任何時(shí)候都有適當的照明，以免降低光學(xué)性能和可讀性。 盡管需要持續提供背光且功耗相對較高，高品質(zhì)的透射式顯示器仍受到移動(dòng)設備制造商的青睞。與反射式顯示器相比，其室內性能、NTSC(美國國家電視標準委員會(huì ))色彩飽和度、高對比度和高亮度更勝一籌。要降低背光功耗，必須盡可能?chē)栏竦乜刂坪凸芾肀彻鈴姸取?br /> 雖然在不工作時(shí)進(jìn)行背光調光可節省功率，但由于許多設備包含Web瀏覽、電子郵件、GPS導航、游戲或視頻播放等功能，要求在長(cháng)時(shí)間的用戶(hù)互動(dòng)期間保持背光。 一種方式是通過(guò)產(chǎn)品設置菜單中的亮度控制來(lái)調節背光強度，以在使用這些功能期間節省功率，但這種方式需要用戶(hù)輸入信息并需針對不同的環(huán)境光線(xiàn)條件更改設置，才能切實(shí)獲得節電效果。這些方法對用戶(hù)并不實(shí)用，也不足以滿(mǎn)足今天的密集且獨特的使用情形的需求。 1 環(huán)境光線(xiàn)感應(ALS) 液晶顯示屏或鍵盤(pán)所需要的背光量隨光線(xiàn)條件的改變而有很大變化。環(huán)境光線(xiàn)感應依靠光電二極管或晶體管來(lái)測量局部光線(xiàn)強度。光源可以是太陽(yáng)、辦公室燈光或月光。傳感器把捕獲的光亮度轉變成電流或電壓，背光驅動(dòng)器或處理器可基于預設的閾值決定液晶顯示器或鍵盤(pán)要求多少背光。 在暗光條件下，用晴天所需的大電流來(lái)驅動(dòng)顯示器背光，不但浪費能量且可導致黑暗條件下的眼球緊張。相對于在明亮條件下對典型使用情形驅動(dòng)背光LED所需的電流，根據環(huán)境光線(xiàn)條件改變背光強度可節省電流60%以上。 2 ALS實(shí)現方法 一些制造商使用模擬或數字光傳感器IC來(lái)檢測環(huán)境光。模擬光傳感器把光線(xiàn)轉換成電流，而數字光傳感器使用內部ADC產(chǎn)生數字比特流。由于實(shí)現簡(jiǎn)單，模擬光傳感器較為便宜。 無(wú)論使用哪種傳感器，都需要對輸出進(jìn)行解碼以便使用。許多設計使用主處理器，完成傳感器輸出解碼和背光控制。但是，主處理器必須足夠快，才能提供多媒體功能，其較高的速度和帶寬也意味著(zhù)在實(shí)現ALS輪詢(xún)功能時(shí)有較大的電流消耗。因此，要降低電池消耗，必須最大限度地減少處理器的參與。 有些IC集成了光輸入解碼和背光驅動(dòng)控制功能。在背光驅動(dòng)器中集成光傳感器有幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：首先，驅動(dòng)器使用簡(jiǎn)單的狀態(tài)機來(lái)完成任務(wù)，使解碼和背光控制所需的電流減少到不到20μA；其次，一切都在一個(gè)封裝中，在PCB布局中減少了連接和引線(xiàn)的數量；第三，最大限度地減少了在背光驅動(dòng)器和主處理器之間的通信。 為向手機制造商提供更大的靈活性，這些集成器件可通過(guò)編程來(lái)設置閾值、遲滯和濾波時(shí)間。由于產(chǎn)品的機械設計都各不相同，要求智能驅動(dòng)器具有足夠的靈活性來(lái)處理所有條件�？删幊涕撝凳故謾C制造商可對光線(xiàn)輸入范圍(如白天、辦公環(huán)境或黑暗環(huán)境)編程，對每個(gè)閾值設置的遲滯可防止背光來(lái)回跳變。濾波時(shí)間讓用戶(hù)在進(jìn)行背光調整之前，可以設定手機在某個(gè)照明環(huán)境中所保持的時(shí)間。這些調整可方便地提供手機制造商所需的靈活性，以修正不同產(chǎn)品之間的參數差異。 圖1 內置光傳感器輸入和微型鍵盤(pán)/ GPIO擴展器的背光驅動(dòng)器 3 顯示器背光分析 顯示器背光使用6個(gè)用18mA電流驅動(dòng)的LED串，從電池吸取111mA(假定LED正向電壓為3.5V，驅動(dòng)器效率為85%，電池電壓4V)。因此，如果一直以最大強度驅動(dòng)，僅顯示器背光就將在9.9h內消耗1100mA.h的電量。 顯示器并非在所有條件下都需最大強度的背光照明，在環(huán)境光線(xiàn)較弱時(shí)(如在辦公室、電影院和室外的夜晚)可降低照明強度，從而節省大量的能量。 晴天的亮度范圍為32000～100000lux，比明亮辦公室400lux的亮度大2個(gè)數量級。因此，當從室外進(jìn)入室內時(shí)，把背光強度減少一半甚至更多將不會(huì )對顯示器的可用性或可讀性造成任何損害。由于大多數人60%的時(shí)間在辦公室里，這個(gè)背光亮度削減約可減少50%以上的電流消耗。對于前面的例子，背光功耗將由111mA降低到55.5mA。使用ALS，對同樣的顯示器，電量為1100mA.h的電池的使用時(shí)間將延長(cháng)到19.8h。 4 內容自適應背光控制(cABC) 如圖2所示，內容自適應背光控制(cABC)是一種分析顯示內容并根據圖像的灰度使用伽瑪校正技術(shù)調整顯示器背光的方法。顯示驅動(dòng)器把PWM波形輸出到背光驅動(dòng)器，并根據視頻內容灰度和使用伽瑪校正來(lái)改變占空比，對黑暗圖像降低背光。在保持逼真的顯示效果的同時(shí)，該技術(shù)降低了背光功耗并提高了顯示對比度。這種方法在視頻播放時(shí)尤其有用，因為畫(huà)面可能會(huì )經(jīng)過(guò)較長(cháng)時(shí)間才從亮變到暗。cABC還可以減少靜態(tài)圖像和標準菜單屏幕的電流消耗。 圖2 內容自適應背光控制(cABC) 可通過(guò)修改移動(dòng)產(chǎn)品的用戶(hù)界面來(lái)利用這些節省方法。隨圖像數據的不同，cABC可以把顯示功耗降低20%〜50%。如果與ALS相結合，能量節省幅度可超過(guò)70%。IC制造商已經(jīng)在IC設計中利用cABC與ALS相結合帶來(lái)的功率節省。 5 鍵盤(pán)背光 除顯示器背光之外，ALS還可以節省鍵盤(pán)背光功耗。大多數鍵盤(pán)有一個(gè)可視的絲網(wǎng)，當有足夠的環(huán)境光可用時(shí)，鍵盤(pán)不需要背光。對于一般尺寸的鍵盤(pán)，基于LED或電致發(fā)光燈(EL)技術(shù)的背光從電池汲取約30mA電流。如果沒(méi)有ALS，鍵盤(pán)必須在任何時(shí)候都打背光，消耗大量的能量。利用ALS，背光驅動(dòng)器可以關(guān)閉或調暗鍵盤(pán)背光從而節省數百mA.h的能量。帶有集成ALS控制的背光驅動(dòng)器在光線(xiàn)變化時(shí)以中斷方式通知處理器，以便改變鍵盤(pán)或其他外設照明。 在用1100mA.h電池、111mA背光電流的顯示器可以播放7h視頻的設備上，視頻模式功耗占總功耗的70%。依靠ALS可把顯示器背光電流消耗削減一半，視頻播放時(shí)間將從7h延長(cháng)到10.8h。表1給出了在不同照明環(huán)境下ALS帶來(lái)的能量節省。前例中的顯示器和鍵盤(pán)背光在背光強度最大時(shí)汲取141mA的電流。在白天，鍵盤(pán)背光可完全關(guān)閉并節省21%的背光電流。真正的電流消耗節省是在辦公室和黑暗環(huán)境中。在辦公室環(huán)境，顯示器背光電流可削減50%而沒(méi)有明顯的顯示質(zhì)量下降，且同樣無(wú)須鍵盤(pán)背光就可看清鍵盤(pán)。依靠ALS實(shí)現，總的背光電流消耗可減少61%。在黑暗環(huán)境，合理地減弱鍵盤(pán)背光并在黑暗環(huán)境中保持充分大的電流，可把顯示器背光電流降低到24mA，總的背光電流消耗可減少62%。 表1 在不同亮度環(huán)境下ALS對背光電流消耗的影響比較 6 GPIO/鍵盤(pán)擴展器 為了更好地利用電池的每mA.h電量，必須尋找所有可能的節能方法。近年來(lái)，短信量增加了100倍。青少年向朋友和親人發(fā)短信的次數比在手機上談話(huà)還要多。雖然沒(méi)有像背光那樣大的功耗，但每次擊鍵都會(huì )喚醒應用處理器，在幾ms時(shí)間內消耗幾mA電流。每天數千次按鍵累加起來(lái)可使耗流量迅速增加，進(jìn)而消耗幾十mA.h的電池容量。為提高處理器帶寬和減少處理器耗電，在QWERTY蜂窩電話(huà)設計中，手機設計人員依靠鍵盤(pán)擴展器來(lái)處理鍵盤(pán)。鍵盤(pán)擴展器處理所有按鍵，從而節省處理器帶寬和降低耗流。鎖鍵功能和光傳感器解碼等功能也集成在IC中，從而節省更多的帶寬和功耗。 |
