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移動設備曾有一段時間使用黑白顯示器，其背光使用兩個綠色發光二極管，背光功耗僅占移動設備總功耗的10%。而今，多媒體設備使用面積更大、清晰度更高的彩色顯示器，顯示器使用的時間也增長了，背光功耗已提高到總功耗的50%以上。 盡管電池技術取得了一些新進展，但電池容量的增加速度跟不上多媒體移動設備能量需求的增加。由于電池技術的進步跟不上電池使用需求，因此便攜設備制造商難以滿足消費者的期望，除非開發出降低功耗或提高電池容量的新方法，否則增加新功能就不可避免地會縮短電池使用時間。 除了基于時間的調光、顯示器暫停和亮度設置(由用戶設定)等方法外，許多移動設備制造商正在采用環境光線感應(ALS)、內容自適應背光控制(cABC)和鍵盤/GPIO擴展器來減少電流消耗。 對于大多數便攜設備制造商來說，顯示器背光成為導致電池很快耗盡的最主要原因之一。帶有高分辨率彩色顯示器的媒體密集型設備要求顯示器在任何時候都有適當的照明，以免降低光學性能和可讀性。 盡管需要持續提供背光且功耗相對較高，高品質的透射式顯示器仍受到移動設備制造商的青睞。與反射式顯示器相比，其室內性能、NTSC(美國國家電視標準委員會)色彩飽和度、高對比度和高亮度更勝一籌。要降低背光功耗，必須盡可能嚴格地控制和管理背光強度。 雖然在不工作時進行背光調光可節省功率，但由于許多設備包含Web瀏覽、電子郵件、GPS導航、游戲或視頻播放等功能，要求在長時間的用戶互動期間保持背光。 一種方式是通過產品設置菜單中的亮度控制來調節背光強度，以在使用這些功能期間節省功率，但這種方式需要用戶輸入信息并需針對不同的環境光線條件更改設置，才能切實獲得節電效果。這些方法對用戶并不實用，也不足以滿足今天的密集且獨特的使用情形的需求。 1 環境光線感應(ALS) 液晶顯示屏或鍵盤所需要的背光量隨光線條件的改變而有很大變化。環境光線感應依靠光電二極管或晶體管來測量局部光線強度。光源可以是太陽、辦公室燈光或月光。傳感器把捕獲的光亮度轉變成電流或電壓，背光驅動器或處理器可基于預設的閾值決定液晶顯示器或鍵盤要求多少背光。 在暗光條件下，用晴天所需的大電流來驅動顯示器背光，不但浪費能量且可導致黑暗條件下的眼球緊張。相對于在明亮條件下對典型使用情形驅動背光LED所需的電流，根據環境光線條件改變背光強度可節省電流60%以上。 2 ALS實現方法 一些制造商使用模擬或數字光傳感器IC來檢測環境光。模擬光傳感器把光線轉換成電流，而數字光傳感器使用內部ADC產生數字比特流。由于實現簡單，模擬光傳感器較為便宜。 無論使用哪種傳感器，都需要對輸出進行解碼以便使用。許多設計使用主處理器，完成傳感器輸出解碼和背光控制。但是，主處理器必須足夠快，才能提供多媒體功能，其較高的速度和帶寬也意味著在實現ALS輪詢功能時有較大的電流消耗。因此，要降低電池消耗，必須最大限度地減少處理器的參與。 有些IC集成了光輸入解碼和背光驅動控制功能。在背光驅動器中集成光傳感器有幾個優點：首先，驅動器使用簡單的狀態機來完成任務，使解碼和背光控制所需的電流減少到不到20μA；其次，一切都在一個封裝中，在PCB布局中減少了連接和引線的數量；第三，最大限度地減少了在背光驅動器和主處理器之間的通信。 為向手機制造商提供更大的靈活性，這些集成器件可通過編程來設置閾值、遲滯和濾波時間。由于產品的機械設計都各不相同，要求智能驅動器具有足夠的靈活性來處理所有條件�？删幊涕撝凳故謾C制造商可對光線輸入范圍(如白天、辦公環境或黑暗環境)編程，對每個閾值設置的遲滯可防止背光來回跳變。濾波時間讓用戶在進行背光調整之前，可以設定手機在某個照明環境中所保持的時間。這些調整可方便地提供手機制造商所需的靈活性，以修正不同產品之間的參數差異。 圖1 內置光傳感器輸入和微型鍵盤/ GPIO擴展器的背光驅動器 3 顯示器背光分析 顯示器背光使用6個用18mA電流驅動的LED串，從電池吸取111mA(假定LED正向電壓為3.5V，驅動器效率為85%，電池電壓4V)。因此，如果一直以最大強度驅動，僅顯示器背光就將在9.9h內消耗1100mA.h的電量。 顯示器并非在所有條件下都需最大強度的背光照明，在環境光線較弱時(如在辦公室、電影院和室外的夜晚)可降低照明強度，從而節省大量的能量。 晴天的亮度范圍為32000～100000lux，比明亮辦公室400lux的亮度大2個數量級。因此，當從室外進入室內時，把背光強度減少一半甚至更多將不會對顯示器的可用性或可讀性造成任何損害。由于大多數人60%的時間在辦公室里，這個背光亮度削減約可減少50%以上的電流消耗。對于前面的例子，背光功耗將由111mA降低到55.5mA。使用ALS，對同樣的顯示器，電量為1100mA.h的電池的使用時間將延長到19.8h。 4 內容自適應背光控制(cABC) 如圖2所示，內容自適應背光控制(cABC)是一種分析顯示內容并根據圖像的灰度使用伽瑪校正技術調整顯示器背光的方法。顯示驅動器把PWM波形輸出到背光驅動器，并根據視頻內容灰度和使用伽瑪校正來改變占空比，對黑暗圖像降低背光。在保持逼真的顯示效果的同時，該技術降低了背光功耗并提高了顯示對比度。這種方法在視頻播放時尤其有用，因為畫面可能會經過較長時間才從亮變到暗。cABC還可以減少靜態圖像和標準菜單屏幕的電流消耗。 圖2 內容自適應背光控制(cABC) 可通過修改移動產品的用戶界面來利用這些節省方法。隨圖像數據的不同，cABC可以把顯示功耗降低20%〜50%。如果與ALS相結合，能量節省幅度可超過70%。IC制造商已經在IC設計中利用cABC與ALS相結合帶來的功率節省。 5 鍵盤背光 除顯示器背光之外，ALS還可以節省鍵盤背光功耗。大多數鍵盤有一個可視的絲網，當有足夠的環境光可用時，鍵盤不需要背光。對于一般尺寸的鍵盤，基于LED或電致發光燈(EL)技術的背光從電池汲取約30mA電流。如果沒有ALS，鍵盤必須在任何時候都打背光，消耗大量的能量。利用ALS，背光驅動器可以關閉或調暗鍵盤背光從而節省數百mA.h的能量。帶有集成ALS控制的背光驅動器在光線變化時以中斷方式通知處理器，以便改變鍵盤或其他外設照明。 在用1100mA.h電池、111mA背光電流的顯示器可以播放7h視頻的設備上，視頻模式功耗占總功耗的70%。依靠ALS可把顯示器背光電流消耗削減一半，視頻播放時間將從7h延長到10.8h。表1給出了在不同照明環境下ALS帶來的能量節省。前例中的顯示器和鍵盤背光在背光強度最大時汲取141mA的電流。在白天，鍵盤背光可完全關閉并節省21%的背光電流。真正的電流消耗節省是在辦公室和黑暗環境中。在辦公室環境，顯示器背光電流可削減50%而沒有明顯的顯示質量下降，且同樣無須鍵盤背光就可看清鍵盤。依靠ALS實現，總的背光電流消耗可減少61%。在黑暗環境，合理地減弱鍵盤背光并在黑暗環境中保持充分大的電流，可把顯示器背光電流降低到24mA，總的背光電流消耗可減少62%。 表1 在不同亮度環境下ALS對背光電流消耗的影響比較 6 GPIO/鍵盤擴展器 為了更好地利用電池的每mA.h電量，必須尋找所有可能的節能方法。近年來，短信量增加了100倍。青少年向朋友和親人發短信的次數比在手機上談話還要多。雖然沒有像背光那樣大的功耗，但每次擊鍵都會喚醒應用處理器，在幾ms時間內消耗幾mA電流。每天數千次按鍵累加起來可使耗流量迅速增加，進而消耗幾十mA.h的電池容量。為提高處理器帶寬和減少處理器耗電，在QWERTY蜂窩電話設計中，手機設計人員依靠鍵盤擴展器來處理鍵盤。鍵盤擴展器處理所有按鍵，從而節省處理器帶寬和降低耗流。鎖鍵功能和光傳感器解碼等功能也集成在IC中，從而節省更多的帶寬和功耗。 |
