背光亮度自處理式的環境光傳感器系統設計

　　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。

　　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。MAX9635、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

　　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：

　　1.借助脈沖寬度調制(PWM)方案的直接調節方式，

　　2.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)。

　　圖5 簡單的PMW控制電路

　　圖6 基于MAX1698的LED亮度調節器

　　建立連接

　　最后一步就是在傳感器和執行器之間建立連接，通過微控制器實現。有人可能首先要問：“環境光強如何映射到背光亮度?”事實上，有些文獻專門介紹了相關方案。其中一種映射方式是，Microsoft針對運行Windows 7操作系統的計算機提出的。圖7所示曲線是由Microsoft提供的，它可以將環境光強度映射到顯示屏亮度(以全部亮度的百分比表示)。

　　圖7 將環境光強映射為最佳顯示屏亮度的曲線示例

　　這種特殊曲線可以用以下函數表示：

　　如果設備采用的是已集成亮度控制功能的LCD控制芯片，就可通過向芯片發送指令，輕松設置背光亮度。如果設備采用的是PWM直接控制亮度，則要考慮如何將比例信號映射至顯示屏亮度。

　　在MAX1698示例中，根據其產品說明書的介紹，可以將驅動電流映射為電壓。通過這個示例，我們可以假設LED電流強度幾乎與其電流呈線性關系。這樣，我們就可以在上述等式中乘上一個系數，計算出PWM所映射的有效電壓，該電壓再被映射至LED電流，最后轉化成顯示屏亮度。

　　方案實施

　　最好不要從一個亮度級直接跳轉到另一個亮度級，而是平滑上調和下調背光亮度，確保不同亮度等級之間無縫過渡。為了達到這一目的，最好采用帶有固定或不同亮度步長、可逐步調節亮度的定時中斷，也可采用帶有可控制LED輸入電流的PWM值的定時中斷，或者是能夠發送到顯示屏控制器的串行指令的定時中斷。圖8提供了這種算法的一個示例。

　　圖8 步進式亮度調節的算法示例

　　另一個問題是，系統響應環境光強變化的速度。我們應盡量避免過快地改變亮度等級。這是因為光強的瞬間變化(譬如一扇窗戶打開或瞬間有一束光掃過)可能導致背光亮度發生不必要的變化，這往往會造成用戶感覺不適。并且，較長的響應時間還有助于減少微控制器對光傳感器的檢測次數，從而可以釋放一定的微控制器資源。

　　最初級的方法就是每隔一兩秒鐘檢查一次光傳感器，然后相應地調整背光亮度。更好的方法是，只有光線強度偏離特定范圍一定時間后，才對背光亮度進行調節。譬如，如果正常光強是200lux，我們可能只會在光強降到180lux以下或升至220lux以上，而且持續時間超過數秒的情況下才調節亮度。幸運的是，MAX9635和MAX44009都集成了中斷引腳和閾值寄存器，可輕松實現這個目的。