智能時(shí)代的手機已不僅僅是語(yǔ)音和簡(jiǎn)單的SMS數據通訊設備，現在它已然成為一個(gè)功能超強的個(gè)人移動(dòng)多媒體終端。手機屏幕的顯示越細膩，色彩表現越豐富，屏幕尺寸越大，消費者的用戶(hù)體驗則越好。視網(wǎng)膜屏、IPS屏等高清高亮屏大大提高了手機屏幕的分辨率和色彩表現。智能手機屏幕的主流尺寸在3.7~4.3寸之間，手機屏的背光LED數目和屏的分辨率和屏的亮度有關(guān)——屏的分辨率越高，相同亮度就需要更多背光LED；相同分辨率背光LED數目越多，屏幕亮度越亮。對于4.0寸屏而言，一般需要6~8顆背光LED，4.3寸屏需要8~10顆背光LED。
電感升壓型背光驅動(dòng)由于具有LED電流匹配度好、和屏的接口連線(xiàn)少等優(yōu)點(diǎn)，而被手機設計人員選做大尺寸的智能手機背光驅動(dòng)。但電感升壓型背光驅動(dòng)容易產(chǎn)生EMI輻射，可能會(huì )對GSM、GPS或者其他射頻模塊產(chǎn)生EMI干擾而影響射頻靈敏度，嚴重的會(huì )出現搜不到臺、掉網(wǎng)等問(wèn)題。而PCB的地波動(dòng)、射頻模塊同樣也會(huì )產(chǎn)生EMI輻射，也可能引起電感升壓型背光驅動(dòng)的輸出電流變化，從而出現閃屏的問(wèn)題。
本文首先分析了電感升壓型背光驅動(dòng)的EMI輻射來(lái)源，以及上海艾為電子技術(shù)有限公司的電感升壓型背光驅動(dòng)芯片如何通過(guò)內部電路的優(yōu)化設計，來(lái)降低電感產(chǎn)生的EMI輻射和調光時(shí)VOUT的EMI輻射，并對PCB設計提出了優(yōu)化EMI性能的建議。針對閃屏，文中分析了閃屏的原因，介紹了上海艾為的第二代電感升壓型背光驅動(dòng)恒流恒壓雙反饋環(huán)路、RNS(射頻噪聲抑制)技術(shù)如何減小閃屏的風(fēng)險。最后，本文介紹了上海艾為的大屏背光產(chǎn)品系列。
升壓過(guò)程中產(chǎn)生的EMI輻射及應對
電感升壓型背光驅動(dòng)工作時(shí)，電感上的電流是瞬態(tài)快速變化的。變化的電流在電感上會(huì )產(chǎn)生電磁場(chǎng)，是電感升壓型背光驅動(dòng)的最主要EMI輻射來(lái)源。圖1是市面上某款電感升壓型背光驅動(dòng)的SW引腳的電壓波形和EMI的測試結果。
圖1：某款電感升壓型背光驅動(dòng)的SW引腳波形和EMI測試結果。
圖1紅色實(shí)線(xiàn)是FCC CLASS B的標準線(xiàn)。紅色虛線(xiàn)是-6dB的裕量線(xiàn)，一般要求EMI測試結果不超過(guò)裕量線(xiàn)。藍色曲線(xiàn)是此款芯片的實(shí)際EMI測試結果——可以看到在100~600MHz有明顯的EMI能量；在300~500MHz頻率段已經(jīng)接近甚至有部分超過(guò)了FCC CLASS B的標準線(xiàn)。這將可能對手機中的FM、CMMB和射頻模塊產(chǎn)生非常嚴重的影響。
電感升壓型背光驅動(dòng)SW引腳產(chǎn)生的EMI輻射主要有：開(kāi)關(guān)信號和電感上電流變化產(chǎn)生的EMI輻射——電感升壓型背光驅動(dòng)的工作頻率一般在1MHz附近，開(kāi)關(guān)信號和電感上的電流變化產(chǎn)生的EMI輻射頻段主要在10MHz以下；開(kāi)關(guān)信號沿產(chǎn)生的EMI輻射——開(kāi)關(guān)信號沿的變化在納秒級范圍，沿越陡，越容易產(chǎn)生振鈴信號。陡峭的沿和振鈴信號都會(huì )產(chǎn)生很大分量的高頻EMI輻射(頻段集中在幾百MHz甚至GHz)，是影響FM、CMMB和GSM射頻信號靈敏度的主要EMI來(lái)源。
降低高頻的EMI輻射，就要讓開(kāi)關(guān)信號的沿變緩，但沿變緩會(huì )使在沿上消耗的功率增加，影響背光驅動(dòng)的轉換效率。所以，EMI輻射的改善和效率的提升是矛盾的，需要相互折中。
圖2是第二代串聯(lián)背光上海艾為的AW9910/AW9920的EMI測試結果。為了同時(shí)取得最優(yōu)的EMI性能和轉換效率，AW9910/AW9920采用了專(zhuān)利技術(shù)的SW引腳信號沿斜率可變驅動(dòng)技術(shù)，在信號沿的初期，驅動(dòng)能力增強，信號沿的斜率較快，而在信號沿的末期，驅動(dòng)能力變弱，信號沿的斜率降低，這樣在信號沿上消耗的功率更小，EMI輻射也更小。從圖2的EMI測試結果可以看到，AW9910/AW9920的EMI性能相比圖1最大提高了25dB！
圖2：AW9920STR/DNR的SW引腳波形和EMI測試結果。
調光時(shí)產(chǎn)生的EMI輻射及應對
SW引腳輸出信號的EMI輻射是手機設計人員關(guān)注得比較多的問(wèn)題，但大家往往發(fā)現即使已經(jīng)花費很大力氣，減小SW引腳輸出信號的EMI輻射，但EMI問(wèn)題依然存在。電感升壓型背光驅動(dòng)芯片在PWM調光時(shí)輸出電壓VOUT可能會(huì )產(chǎn)生很大的輸出紋波。這也是一個(gè)EMI輻射源，但卻容易被手機設計人員忽視。
圖3是某款采用普通PWM調光方式的電感升壓型背光驅動(dòng)在PWM調光時(shí)的使能引腳(EN)和輸出VOUT的波形。從圖3中可以看到，用10KHz 50%占空比的PWM信號調光時(shí)，輸出電壓VOUT上的紋波高達4V。而且我們發(fā)現，調光頻率越低，輸出電壓紋波越大。而在PCB設計中，輸出VOUT需要從背光驅動(dòng)模塊接到屏的背光LED的陽(yáng)極，走線(xiàn)會(huì )比較長(cháng)，這樣VOUT走線(xiàn)的輸出紋波也是一個(gè)嚴重的EMI輻射源！
圖3：某款電感升壓型背光驅動(dòng)PWM調光時(shí)輸出VOUT紋波(10KHz、50%占空比)。
輸出電壓上紋波幅度過(guò)大還會(huì )在輸出電容上產(chǎn)生刺耳的嘯叫聲。這是由于輸出MLCC電容的壓電效應產(chǎn)生的振動(dòng)而引起的。一般紋波幅度超過(guò)0.5V就能聽(tīng)到明顯的嘯叫聲。提高調光頻率是一種解決辦法，但提高調光頻率會(huì )影響PWM調光的調光線(xiàn)性度，甚至會(huì )使調光功能失效，而且也沒(méi)有從根本上解決問(wèn)題。
上海艾為的電感升壓型背光驅動(dòng)AW9920STR/DNR采用了創(chuàng )新的PWM轉恒流調光方式。PWM轉恒流調光接收普通的PWM調光信號，經(jīng)過(guò)內部的電路轉化，最終輸出一個(gè)恒定的輸出電流。輸出電流的大小與PWM調光的占空比成正比。輸出電流恒定，輸出電壓上的紋波就非常小了。圖4是AW9920在同樣條件下的測試結果，而AW9920的輸出電壓紋波不超過(guò)100mV。輸出VOUT上的EMI輻射和電容嘯叫的問(wèn)題得到了完美解決！而且AW9920支持更高的調光頻率。調光頻率越高，EMI性能和電容嘯叫問(wèn)題改善越好，同時(shí)還不影響調光線(xiàn)性度。
圖4：AW9920 PWM調光時(shí)輸出VOUT紋波(10KHz、50%占空比)。
采用斜率可變的驅動(dòng)技術(shù)和PWM轉恒流調光技術(shù)，使得上海艾為的第二代串聯(lián)背光驅動(dòng)EMI性能顯著(zhù)改善。這對PCB的設計要求也就大幅降低，而且還消除了輸出電容的嘯叫聲。但EMI輻射是一個(gè)非常復雜而難以感知的問(wèn)題，在PCB設計時(shí)手機設計人員還要特別注意：連接至SW引腳的連線(xiàn)盡量短、面積盡量小，以減小SW走線(xiàn)上的EMI輻射；電感盡可能采用屏蔽電感；輸入VIN和輸出VOUT的旁路電容盡可能靠近芯片的對應引腳；電源經(jīng)過(guò)芯片到地的走線(xiàn)要根據電流走線(xiàn)布線(xiàn)，盡可能減小寄生電阻和寄生電感；背光驅動(dòng)模塊電源和其他模塊電源走線(xiàn)盡可能采用星星接法；地線(xiàn)盡可能采取鋪地的方式，并且和其他易受干擾的模塊地分開(kāi)；背光驅動(dòng)模塊建議用屏蔽罩屏蔽，以盡可能降低EMI輻射。
地干擾引起的閃屏和應對
傳統的第一代電感升壓型背光驅動(dòng)采用的是外接反饋電阻的方式設定LED電流。其典型應用圖如圖5所示。這種架構在應用時(shí)如果反饋電阻的地和背光驅動(dòng)芯片的地PCB共地不好，背光驅動(dòng)芯片的地和反饋電阻的地波動(dòng)幅度或者方向不一致的話(huà)，就會(huì )導致反饋電阻上的電壓波動(dòng)而閃屏。而且屏幕亮度越暗，反饋電壓越小，閃屏的風(fēng)險越大。
圖5：傳統電感升壓型背光驅動(dòng)典型應用圖。
作為第二代電感升壓型背光驅動(dòng)，上海艾為的電感升壓型背光驅動(dòng)采用的是恒流和恒壓雙反饋環(huán)路——在傳統的恒壓控制環(huán)路上增加了一個(gè)內置Q-Mirror的恒流控制環(huán)路。恒流環(huán)路產(chǎn)生恒定的輸出電流；恒壓環(huán)路產(chǎn)生最低的輸出電壓。雙環(huán)路的控制方式更合理且不受地波動(dòng)對LED輸出電流的影響，完全沒(méi)有第一代電感升壓型背光驅動(dòng)存在的閃屏風(fēng)險。
第一代電感升壓型背光驅動(dòng)在關(guān)斷狀態(tài)還存在一個(gè)從電源經(jīng)過(guò)LED串和反饋電阻到地的通路而導致漏電；而AW9910/AW9920在關(guān)斷狀態(tài)Q-Mirror會(huì )關(guān)閉，LED陰極到地呈高阻狀態(tài)，從而切斷了漏電通路。
射頻信號對電感升壓型背光驅動(dòng)產(chǎn)生的干擾及應對
射頻信號尤其是GSM信號在工作時(shí)會(huì )產(chǎn)生間歇的突發(fā)電流和很強的EMI輻射。間歇的突發(fā)電流還會(huì )形成217Hz的電源波動(dòng)。217Hz的電源波動(dòng)會(huì )通過(guò)傳導耦合到電感升壓型背光驅動(dòng)的電源輸入端。900MHz和1800MHz的高頻射頻信號形成217Hz的射頻包絡(luò )信號，這些高頻的射頻包絡(luò )信號會(huì )干擾反饋引腳，甚至是穿透封裝干擾芯片內部的關(guān)鍵電路節點(diǎn)，從而引起閃屏。
上海艾為的第二代電感升壓型背光驅動(dòng)均采用了RNS(射頻噪聲抑制)技術(shù)。通過(guò)內部的特有電路架構和電路設計對傳導和輻射干擾進(jìn)行全方位的抑制，有效提高了閃屏的抑制能力。
上海艾為的智能機背光驅動(dòng)系列
AW9910STR/DRN和AW9920STR/DNR是上海艾為全新的電感升壓型背光驅動(dòng)。它們采用艾為獨創(chuàng )的EMI抑制技術(shù)和PWM轉恒流調光技術(shù)最大程度減小了噪聲輻射。集成Q-Mirror架構的恒流和恒壓雙反饋控制環(huán)路及RNS技術(shù)，使LED的恒流輸出電流更加穩定，更不易受干擾。AW9910和AW9920均同時(shí)支持SOT23-5L封裝和封裝熱阻更小的DFN2x2-8L封裝。其中，AW9920的典型應用圖如圖6所示。
圖6：AW9920典型應用圖。
上海艾為的背光驅動(dòng)產(chǎn)品線(xiàn)是業(yè)界最豐富的產(chǎn)品線(xiàn)之一，針對智能機的大屏背光驅動(dòng)主要產(chǎn)品見(jiàn)表1。
表1：上海艾為智能背光驅動(dòng)系列。
本文小結
智能機興起使大屏和高清高亮屏成為了手機屏幕的主流，而電感升壓型背光驅動(dòng)逐漸成為了大屏背光驅動(dòng)的主流背光驅動(dòng)。但射頻干擾和閃屏是電感升壓型背光驅動(dòng)經(jīng)常會(huì )碰到而且很難解決的兩個(gè)問(wèn)題。本文分析了這兩個(gè)問(wèn)題的產(chǎn)生來(lái)源、芯片內部如何盡可能的減少EMI的輻射以及采用創(chuàng )新的背光驅動(dòng)架構解決閃屏的問(wèn)題。另外，在PCB的設計上也提出了與之相關(guān)的建議，以幫助設計人員設計出能滿(mǎn)足性能更優(yōu)的智能機背光驅動(dòng)模塊。 |
