環(huán)境光傳感器(ALS)背光控制解決方案

引言

環(huán)境光傳感器（ALS）集成電路正越來越多地用于各種顯示器和照明設(shè)備，以節(jié)省電能，改善用戶體驗。借助ALS解決方案，系統(tǒng)設(shè)計師可根據(jù)環(huán)境光強度，自動調(diào)節(jié)顯示屏的亮度。因為背光照明的耗電量在系統(tǒng)的總耗電量中占據(jù)很大的比例，實行動態(tài)的背光亮度控制，可節(jié)省大量的電能。此外，它還能夠改善用戶體驗，讓顯示屏亮度根據(jù)環(huán)境光條件自行調(diào)整到最佳狀態(tài)。

系統(tǒng)實現(xiàn)需要三大部分：監(jiān)測環(huán)境光強的光傳感器、數(shù)據(jù)處理裝置（通常是微控制器）、控制背光輸入電流的執(zhí)行器。

背光控制：環(huán)境光傳感器

圖1是實施背光控制的系統(tǒng)示范框圖。在這套組合中，光傳感器是關(guān)鍵的組成部分，因為它要向系統(tǒng)的其他模塊提供環(huán)境光強信息。光傳感器必須具備將光信號轉(zhuǎn)換成電信號的信號轉(zhuǎn)換器（譬如光電二極管或CdS光敏電阻）和信號放大和/或調(diào)節(jié)裝置以及模/數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）。

圖1. 實施背光控制的系統(tǒng)框圖

圖2所示為分立光電二極管電路，從圖中可以看出，該電路需要一個或多個運算放大器：一個用于電流到電壓的轉(zhuǎn)換，可能還需要一級放大，提供附加增益。它還包括一些分支電路，用于供電，確保高度可靠的信號鏈。而在空間極其寶貴的應(yīng)用中，所需元件的數(shù)量過多可能導(dǎo)致空間受限問題。

圖2. 光電二極管電路分立設(shè)計

這里還存在一個更細(xì)微的問題。具體而言，理想情況下，應(yīng)確保環(huán)境光的測量模擬了人眼對光線的響應(yīng)機制。這通常借助CIE提供的視覺亮度曲線（圖3）。然而，光電二極管很少能夠完全模擬這種響應(yīng)機制，因為它們通常具有很高的紅外（IR）靈敏度。在IR強度較大的光照條件（譬如白熾燈或日光）下，這種紅外靈敏度會造成錯誤地判斷光線強度。

解決上述問題的方法之一是使用兩個光電二極管：一個采用對可見光和紅外光都很敏感的元件，另一個采用只對紅外光敏感的元件。最終用前者的響應(yīng)值減去后者的響應(yīng)值，將紅外干擾降至最小，獲得準(zhǔn)確的可見光響應(yīng)。

這種解決方案雖然有效，卻增加了分立電路的占用空間。通常還很難、甚至不可能讓兩個分立的光電二極管配合得足夠緊密，以實現(xiàn)消除紅外干擾的目的。如果不配備精密放大器（譬如對數(shù)放大器），動態(tài)范圍可能很小。換句話說，很難利用這種組合獲得可重復(fù)的結(jié)果。

圖3. CIE曲線和典型的光電二極管

高集成度解決方案不僅能夠獲得比人眼光學(xué)系統(tǒng)更真實的光強數(shù)據(jù)，還能夠節(jié)省大量空間MAX44009等環(huán)境光傳感器，可將所有信號調(diào)節(jié)和模/數(shù)轉(zhuǎn)換器集成在一個小封裝（2mm x 2mm UTDFN封裝）內(nèi)，從而在空間受限應(yīng)用中有效節(jié)省電路板面積。

圖4提供了MAX44009的功能框圖，采用I²C通信協(xié)議，使其與微控制器的連接方式更簡單，數(shù)據(jù)傳輸速度更快。除此之外，該解決方案的高集成特性使其能夠置于柔性電纜，安裝在離主電路板距離合適的位置。

圖4. MAX44009功能框圖

背光控制：調(diào)節(jié)顯示屏亮度

該控制方案的第二部分是調(diào)節(jié)顯示屏的背光亮度。這可通過多種方式實現(xiàn)，具體取決于設(shè)備中的顯示屏模塊。有兩種最簡單的方式，一種是借助脈沖寬度調(diào)制（PWM）方案的直接調(diào)節(jié)方式，另一種是采用顯示屏控制器的間接調(diào)節(jié)方式。

許多顯示屏模塊如今都配有一個集成控制器，用戶可以通過向控制器發(fā)送串行命令，直接設(shè)置背光亮度。如果顯示屏模塊未配備集成控制器，還可安裝一個簡單的背光控制執(zhí)行器，控制顯示屏后面用于背光照明的白光LED燈的輸入電流。實現(xiàn)這種控制的一種簡單辦法是：直接給LED串聯(lián)一個場效應(yīng)晶體管（FET），使用PWM信號快速打開、關(guān)閉FET （圖5）。然而，也可以利用單一芯片（用于LED控制的MAX1698升壓轉(zhuǎn)換器）準(zhǔn)確、可靠地調(diào)節(jié)（圖6），請參考應(yīng)用筆記3866“Low-power PWM output controls LED brightness”，獲取詳細(xì)信息。