環境光傳感器(ALS)背光控制解決方案

引言

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

系統實現需要三大部分：監測環境光強的光傳感器、數據處理裝置（通常是微控制器）、控制背光輸入電流的執行器。

背光控制：環境光傳感器

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

圖1. 實施背光控制的系統框圖

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用中，所需元件的數量過多可能導致空間受限問題。

圖2. 光電二極管電路分立設計

這里還存在一個更細微的問題。具體而言，理想情況下，應確保環境光的測量模擬了人眼對光線的響應機制。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。最終用前者的響應值減去后者的響應值，將紅外干擾降至最小，獲得準確的可見光響應。

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，以實現消除紅外干擾的目的。如果不配備精密放大器（譬如對數放大器），動態范圍可能很小。換句話說，很難利用這種組合獲得可重復的結果。

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系統更真實的光強數據，還能夠節省大量空間MAX44009等環境光傳感器，可將所有信號調節和模/數轉換器集成在一個小封裝（2mm x 2mm UTDFN封裝）內，從而在空間受限應用中有效節省電路板面積。

圖4提供了MAX44009的功能框圖，采用I²C通信協議，使其與微控制器的連接方式更簡單，數據傳輸速度更快。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：調節顯示屏亮度

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

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送串行命令，直接設置背光亮度。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。實現這種控制的一種簡單辦法是：直接給LED串聯一個場效應晶體管（FET），使用PWM信號快速打開、關閉FET （圖5）。然而，也可以利用單一芯片（用于LED控制的MAX1698升壓轉換器）準確、可靠地調節（圖6），請參考應用筆記3866“Low-power PWM output controls LED brightness”，獲取詳細信息。