本應(yīng)用筆記介紹了使用MAX44009環(huán)境光傳感器在智能手機(jī)和平板電腦等便攜式應(yīng)用中進(jìn)行背光控制的解決方案。提出了兩種不同的控制方案來調(diào)節(jié)背光亮度。應(yīng)用筆記提供了提高性能的其他技巧，以及實(shí)現(xiàn)本文討論的算法的示例代碼。

概述

環(huán)境光傳感器 （ALS） IC 越來越多地用于各種顯示和照明應(yīng)用，以節(jié)省功耗并改善用戶體驗(yàn)。借助 ALS 解決方案，系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員可以根據(jù)環(huán)境光量自動(dòng)調(diào)整顯示器亮度。由于背光占系統(tǒng)功率預(yù)算的很大一部分，動(dòng)態(tài)亮度控制可以轉(zhuǎn)化為可觀的節(jié)能效果。它還可以改善用戶體驗(yàn)，允許根據(jù)環(huán)境光條件優(yōu)化屏幕亮度。

實(shí)現(xiàn)這樣的系統(tǒng)需要三個(gè)部分：用于監(jiān)控環(huán)境光量的光傳感器、用于處理數(shù)據(jù)的器件（通常是微控制器）以及用于控制通過背光的電流的執(zhí)行器。

背光控制：環(huán)境光傳感器

圖1提供了實(shí)現(xiàn)背光控制的系統(tǒng)的示例框圖。光傳感器是此設(shè)置的關(guān)鍵部分，因?yàn)樗蛳到y(tǒng)的其余部分提供有關(guān)環(huán)境光照水平的信息。光傳感器必須包含一個(gè)用于將光轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的換能器（例如光電二極管或CdS光敏電阻）、一些放大和/或信號(hào)調(diào)理以及一個(gè)模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）。

圖1.實(shí)現(xiàn)背光控制的系統(tǒng)的框圖。

圖2顯示了光電二極管電路的分立實(shí)現(xiàn)方案。如您所見，該電路需要一個(gè)或多個(gè)運(yùn)算放大器：一個(gè)用于I-V轉(zhuǎn)換，另一個(gè)用于額外增益。它還包括額外的布線，為所有這些組件供電，并確保信號(hào)鏈的魯棒性。在空間非常寶貴的應(yīng)用中，所需的大量組件可能會(huì)出現(xiàn)問題。

圖2.光電二極管電路的分立實(shí)現(xiàn)。

這里還有第二個(gè)更微妙的問題。具體而言，希望確保以復(fù)制人眼對(duì)光的光學(xué)響應(yīng)的方式測(cè)量環(huán)境光。這通常用CIE明視曲線來描述（圖3）。然而，光電二極管很少復(fù)制這種響應(yīng)，因?yàn)樗鼈兺ǔ＞哂泻芨叩?a href="http://www.www27dydycom.cn/tags/紅外/" target="_blank">紅外（IR）靈敏度。這種靈敏度會(huì)導(dǎo)致紅外重光下的錯(cuò)誤讀數(shù)，例如白熾燈泡或太陽的讀數(shù)。

解決此問題的一種方法是使用兩個(gè)光電二極管：一個(gè)具有可見光加紅外分量，另一個(gè)僅具有紅外分量。然后可以相互減去兩個(gè)響應(yīng)，以僅獲得可見光部分，并最小化紅外部分。

雖然有效，但該解決方案增加了上述分立電路所需的空間。此外，要足夠緊密地匹配分立光電二極管以消除紅外干擾，即使不是不可能，也是非常困難的。如果沒有非常復(fù)雜的放大器實(shí)現(xiàn)，例如對(duì)數(shù)放大器，動(dòng)態(tài)范圍可能會(huì)受到限制。使用這種設(shè)置很難獲得可重復(fù)的結(jié)果。

圖3.CIE曲線與典型光電二極管的比較。

集成解決方案不僅可以產(chǎn)生更符合人眼光學(xué)響應(yīng)的光讀數(shù)，還可以節(jié)省大量空間。MAX44009環(huán)境光傳感器等器件將所有信號(hào)調(diào)理和A/D轉(zhuǎn)換電路集成到小尺寸（2mm × 2mm UTDFN）中，在空間受限的應(yīng)用中節(jié)省了大量電路板空間。

圖4所示為MAX44009的功能框圖。它使用 I2C通信協(xié)議允許一種快速、簡(jiǎn)單的方法與微控制器接口。除此之外，該解決方案的集成特性使其能夠放置在柔性電纜上，并設(shè)置在遠(yuǎn)離主電路板的所需位置。

圖4.MAX44009的功能框圖

背光控制：調(diào)制屏幕亮度

該控制方案的第二部分涉及驅(qū)動(dòng)屏幕上背光的變化。這可以通過多種方式完成，具體取決于應(yīng)用程序中使用的屏幕模塊。兩種最簡(jiǎn)單的方法是直接通過脈寬調(diào)制（PWM）方案或使用屏幕控制器芯片間接。

現(xiàn)在許多顯示模塊都有一個(gè)集成控制器，允許用戶通過向設(shè)備發(fā)送串行命令來直接設(shè)置亮度。但是，如果不可用，則可以通過控制傳遞到屏幕后面的一系列白光LED的功率來實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的背光控制執(zhí)行器，這些LED提供背光。實(shí)現(xiàn)此目的的一種粗略方法是直接將 FET 與 LED 串聯(lián)，并使用 PWM 信號(hào)快速打開和關(guān)閉（圖 5）。然而，使用單芯片可以更優(yōu)雅、更穩(wěn)健地完成這項(xiàng)工作：MAX1698升壓型電流調(diào)節(jié)器，用于LED（圖6）。參見應(yīng)用筆記3866：“低功耗PWM輸出控制LED亮度”，了解該實(shí)現(xiàn)方案的更多細(xì)節(jié)。

圖5.簡(jiǎn)單的PWM控制電路。

圖6.基于MAX1698的LED穩(wěn)壓器

背光控制：彌合差距

最后一步是彌合傳感器和執(zhí)行器之間的間隙，這在微控制器中完成。人們可能會(huì)問的第一個(gè)問題是：“如何將環(huán)境光映射到背光亮度？事實(shí)上，有一些規(guī)范描述了應(yīng)該如何做到這一點(diǎn)。Microsoft? 為運(yùn)行 Windows 7 的計(jì)算機(jī)推薦了一個(gè)映射示例。圖 7 中的曲線由 Microsoft 提供，用于將環(huán)境光級(jí)別映射到屏幕亮度（占全亮度的百分比）。?

圖7.將環(huán)境光水平映射到最佳屏幕亮度的亮度曲線示例。

這條特定的曲線可以用以下函數(shù)來描述：

如果應(yīng)用使用具有集成亮度控制的LCD控制器芯片，則可以通過向芯片發(fā)送具有所需值的命令來輕松設(shè)置亮度。如果應(yīng)用使用PWM直接控制亮度，則必須考慮如何將百分比信號(hào)映射到亮度。

以MAX1698為例，可以將驅(qū)動(dòng)電流映射到電壓，如數(shù)據(jù)資料中所述。從那里，人們通?？梢约僭O(shè)LED的電流幾乎與其強(qiáng)度線性相關(guān)。因此，可以將常數(shù)乘以上述等式，以將PWM映射到有效電壓，然后將其映射到LED電流，從而轉(zhuǎn)換為屏幕亮度。

實(shí)施說明

最好不要直接從一種設(shè)置跳到另一種設(shè)置：相反，背光亮度應(yīng)平滑地上下增加，以確保級(jí)別之間的無縫過渡。這最好通過使用具有固定或可變亮度步長(zhǎng)大小的定時(shí)中斷來逐漸改變用于控制通過LED的電流的PWM值或發(fā)送到顯示控制器芯片的串行命令。圖 8 提供了此類算法的示例。

圖8.亮度步進(jìn)算法示例。

另一個(gè)問題是系統(tǒng)應(yīng)該多快響應(yīng)環(huán)境光水平的變化。應(yīng)避免過快地更改亮度級(jí)別。令人擔(dān)憂的是，光線的瞬態(tài)變化（例如，經(jīng)過窗戶或燈）會(huì)導(dǎo)致背光亮度發(fā)生不希望的變化，一些用戶會(huì)覺得很煩人。此外，使用較慢的響應(yīng)時(shí)間可減少不斷輪詢光傳感器的需要，從而釋放一些微控制器資源。

一種基本方法是每?jī)擅胼喸円淮喂鈧鞲衅?，然后更改亮度。更好的方法是僅在光線水平離開特定區(qū)域特定時(shí)間時(shí)才更改亮度。例如，如果當(dāng)前的光照水平為 200lux，則可能只想在光線水平低于 180lux 或高于 220lux 的時(shí)間超過幾秒鐘時(shí)更改亮度。幸運(yùn)的是，MAX44009具有中斷引腳和門限寄存器，因此非常容易實(shí)現(xiàn)。

審核編輯：郭婷