過(guò)去的一年是中國的手機行業(yè)發(fā)生深刻變化的一年，傳統的功能手機市場(chǎng)急劇萎縮，而智能機和類(lèi)智能機成為行業(yè)新寵，并在未來(lái)會(huì )逐漸成為市場(chǎng)主流。

另外，3G時(shí)代重應用，大屏幕的智能機和類(lèi)智能機的走俏也順應了這一趨勢，對于視頻、動(dòng)漫游戲、手機閱讀等應用來(lái)說(shuō)，大屏幕成為必不可少的配置，從用戶(hù)的使用體驗來(lái)看，3.0～4.3英寸是比較適合的屏幕尺寸,這個(gè)尺寸的LCD屏一般需要5～10顆WLED來(lái)為其提供背光光源。另外手機LCD屏尺寸變大的同時(shí)，SLCD屏、AVS屏、IPS硬屏等高清高亮屏不斷出現并逐漸成為智能機和類(lèi)智能機的標配。分辨率的提升可以讓顯示的畫(huà)面更細膩，而亮度的提升可以使屏幕的畫(huà)面更加通透，讓用戶(hù)感覺(jué)屏幕的色彩表現更加出色。提高亮度通常需要增加更多的背光WLED來(lái)實(shí)現。對于3.7英寸的LCD屏來(lái)說(shuō)，普通200流明的亮度可能只需要6顆WLED背光，但高亮屏需要300流明或者500流明的亮度，就需要7顆甚至8顆WLED背光。

如何為智能機和類(lèi)智能機選擇合適的背光驅動(dòng)方案，是設計人員當前和未來(lái)需要考慮的問(wèn)題。手機背光驅動(dòng)芯片按架構分主要有：自適應電荷泵升壓型、低壓降恒流型和電感升壓型等，不同的架構有各自的優(yōu)缺點(diǎn)，本文以設計人員普遍關(guān)注的幾個(gè)主要問(wèn)題入手，并提出了這些問(wèn)題的幾種不同解決方案以及幾種方案的優(yōu)勢對比，希望能從這些方案中幫助設計人員選擇合適的背光驅動(dòng)方案。

大屏幕尺寸手機背光面臨的主要問(wèn)題及解決方案

噪聲輻射問(wèn)題

手機系統是在一個(gè)狹小的空間內集成度非常高的系統，系統內各模塊之間的互相干擾一直是讓廣大設計人員頭疼的問(wèn)題，也是背光驅動(dòng)模塊碰到的最難解決的問(wèn)題。如果設計考慮不充分，背光驅動(dòng)模塊工作時(shí)可能會(huì )產(chǎn)生一些噪聲輻射而干擾到射等頻模塊信號的靈敏度，比如會(huì )干擾手機信號的靈敏度或者影響GPS導航信號的靈敏度，干擾嚴重的可能會(huì )出現手機信號掉網(wǎng)、GPS導航系統找不到導航衛星的問(wèn)題。

表1.不同類(lèi)型背光驅動(dòng)的噪聲輻射。

這三種背光驅動(dòng)類(lèi)型中，低壓降恒流型架構由于是線(xiàn)性電路，幾乎不會(huì )產(chǎn)生噪聲，自適應電荷泵型背光驅動(dòng)和電感升壓型背光驅動(dòng)的電源、地線(xiàn)和輸出等大功率信號的波動(dòng)會(huì )通過(guò)PCB的寄生產(chǎn)生耦合噪聲，這些耦合噪聲可通過(guò)在芯片設計時(shí)芯片內部關(guān)鍵的大功率信號的信號沿的處理和外部的耦合電容將耦合噪聲減小對系統其他模塊的影響至最小。

電感升壓型背光驅動(dòng)的電感上產(chǎn)生的EMI輻射噪聲是最嚴重的噪聲輻射，而且很難通過(guò)背光驅動(dòng)芯片設計時(shí)內部處理或者外圍器件來(lái)減小的，手機設計人員在設計時(shí)需要將射頻模塊遠離電感升壓型背光驅動(dòng)模塊。部分設計人員為了減小電感的EMI輻射影響，會(huì )將電感升壓型背光驅動(dòng)及其外圍器件包括電感都放在屏蔽罩內，這樣雖然能減小EMI輻射的影響，但電感的高度會(huì )增加屏蔽罩的高度，對設計超薄智能機帶來(lái)很大難度。

從噪聲輻射影響的角度來(lái)看，低壓降恒流型背光驅動(dòng)的噪聲性能最優(yōu)，自適應電荷泵型背光驅動(dòng)噪聲性能次之，而電感升壓型背光驅動(dòng)的噪聲性能最差，設計時(shí)需要特別注意。

占板面積、空間及成本問(wèn)題

手機的PCB器件布局及面積一直是手機PCB設計的一個(gè)嚴峻挑戰，而且這個(gè)挑戰隨著(zhù)手機功能越豐富也越嚴峻。通常應對占板面積挑戰的主要方法是采用集成度更高的手機芯片盡可能減少外圍器件數量和選用尺寸更小的外圍器件。

對于背光驅動(dòng)模塊來(lái)說(shuō)，背光驅動(dòng)芯片和外圍器件的封裝尺寸決定了背光驅動(dòng)模塊的占板面積，圖1是分別是10路輸出的采用電感升壓型背光驅動(dòng)和上海艾為的一款最新的四模分數倍電荷泵背光驅動(dòng)AW9670QNR以及8路輸出的低壓降恒流型背光驅動(dòng)AW9358QNR三種背光驅動(dòng)模塊的PCB layout對比圖。

圖1.三種不同類(lèi)型背光驅動(dòng)PCB Layout面積對比。

從圖1中可以看到，電感升壓型背光驅動(dòng)模塊由于要使用電感、肖特基二極管和高耐壓的MLCC電容，而這些器件的封裝尺寸都相對較大，而AW9670QNR和AW9358QNR外圍分別只需要4個(gè)和1個(gè)0402的MLCC電容，所以電感升壓型背光驅動(dòng)的PCB Layout面積要遠遠大于A(yíng)W9670QNR和AW9358QNR的PCB Layout面積。電感升壓型背光驅動(dòng)模塊PCB Layout面積是AW9670QNR背光驅動(dòng)模塊面積的2.3倍、AW9358QNR背光驅動(dòng)模塊面積的3.9倍！

轉換效率

手機屏幕的尺寸越來(lái)越大，手機屏幕的背光功耗越來(lái)越是手機設計人員關(guān)心的一個(gè)問(wèn)題。為了盡可能的延長(cháng)手機的工作時(shí)間，手機設計人員會(huì )越來(lái)越關(guān)心背光驅動(dòng)的轉換效率。自適應電荷泵技術(shù)在持續發(fā)展，尤其是分數倍電荷泵技術(shù)的采用，使得自適應電荷泵架構的背光驅動(dòng)效率越來(lái)越高。圖2是上海艾為的AW9670QNR與一款同是10路輸出的電感升壓型背光驅動(dòng)輸出20mA時(shí)的效率曲線(xiàn)對比圖。

圖 2.20mA輸出的四模分數電荷泵與電感升壓型背光驅動(dòng)效率曲線(xiàn)對比圖。

從圖2中可以看到，輸入電壓在3.0～4.2V的手機應用場(chǎng)合，電感升壓型背光驅動(dòng)的轉換效率（藍色曲線(xiàn)）和AW9670QNR的轉換效率（紫紅色曲線(xiàn)）基本上接近，平均效率都接近80%。若亮度變暗，LED電流減小，四模分數倍電荷泵背光驅動(dòng)的轉換效率會(huì )進(jìn)一步提高，而電感升壓型背光驅動(dòng)的轉換效率卻隨電流變小而減小，圖3是10mA輸出時(shí)電感升壓型背光驅動(dòng)和AW9670QNR的轉換效率曲線(xiàn)對比圖，由于A(yíng)W9670QNR大部分時(shí)間都是工作在高效率的1倍模式，轉換效率要明顯高于電感升壓型背光驅動(dòng)的轉換效率。

圖 3.10mA輸出的四模分數電荷泵與電感升壓型背光驅動(dòng)效率曲線(xiàn)對比圖。

散熱問(wèn)題

手機基帶芯片的主頻不斷提高、增加的功能越來(lái)越多，手機的功耗越來(lái)越大，散熱問(wèn)題越來(lái)越成為手機設計人員在產(chǎn)品設計的初期需要認真考慮的一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題。

手機的熱設計需要對主要熱源器件進(jìn)行功耗分析、計算熱源器件的熱距離布局面積以及環(huán)境溫度分析等。PCB布局時(shí)需要遵循一些基本的熱設計原則，比如發(fā)熱較高的器件盡量不放在PCB的角落或者邊緣，增加高發(fā)熱器件下面的鋪地層面積、增加屏蔽罩等。

由于手機屏幕的不斷增大，手機背光模塊的功耗占手機整體功耗的比例也越來(lái)越大，手機設計人員也需要在產(chǎn)品設計初期考慮背光驅動(dòng)模塊的熱設計。除了背光驅動(dòng)模的PCB熱設計考慮和選擇效率更高的背光驅動(dòng)芯片外，手機設計人員在選擇背光驅動(dòng)芯片時(shí)還需要特別背光驅動(dòng)芯片的封裝熱阻。

芯片的封裝熱阻是衡量封裝將管芯產(chǎn)生的熱量傳導至電路板或周?chē)�環(huán)境的能力的一個(gè)標準。封裝熱阻和封裝材料（引線(xiàn)框架、模塑材料、管芯粘接材料）、封裝設計（管芯厚度、裸焊盤(pán)、內部散熱過(guò)孔、所用金屬材料的熱傳導率）有關(guān)。封裝熱阻越大，則表示芯片內部的熱不容易傳導，芯片的溫度越高。芯片封裝熱阻一般用θJA來(lái)表示，單位是℃/W，芯片封裝熱阻的計算公式為：

θJA=(TJ-TA)/PD

其中TJ為芯片結溫，TA為環(huán)境溫度，PD為芯片內部功耗。已知芯片的封裝熱阻，則可以根據芯片內部的功耗和環(huán)境溫度算出芯片的結溫。例如一個(gè)芯片的封裝熱阻為100℃/W，環(huán)境溫度為25℃時(shí)，若芯片內部功耗為1W，則芯片的結溫和環(huán)境溫度差別是100℃，芯片結溫為125℃。

背光驅動(dòng)芯片常見(jiàn)的封裝和封裝熱阻如表2：

表2.背光驅動(dòng)常見(jiàn)封裝形式及封裝熱阻。

由于沒(méi)有散熱片，SOT23-5L(6L)封裝的封裝熱阻要遠大于其他四種封裝的封裝熱阻，芯片結溫明顯要高于其他四種封裝。比如在環(huán)境溫度為25℃時(shí)，對于輸出驅動(dòng)10顆LED，輸出功率大致在0.6W左右（LED導通壓降3.0V，每路LED電流為20mA），若轉換效率為75%，則芯片內部功耗為0.2W，四種封裝結溫分別為77℃、40.2℃、35.4℃和34℃。相比采用SOT23-5L(6L)封裝技術(shù)的電感升壓型背光，采用DFN2x2-8L的電感升壓型背光和并聯(lián)背光驅動(dòng)的芯片結溫優(yōu)勢更明顯。

總結

智能機和類(lèi)智能機的興起使大屏和高清高亮屏成為手機屏幕的主流，本文從手機設計人員普遍關(guān)心的幾個(gè)問(wèn)題入手，討論了智能時(shí)代手機背光驅動(dòng)面臨一些問(wèn)題和挑戰，并對這些挑戰提出了相應的應對措施和解決方案，以幫助設計人員設計出能滿(mǎn)足性能更優(yōu)、占板面積更小、可靠性更高的智能機背光驅動(dòng)模塊。