创新节能技术助制造商设计出媒体丰富的手机产品

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移动设备曾有一段时间使用黑白显示器，其背光使用两个绿色发光二极管，背光功耗仅占移动设备总功耗的10%。而今，多媒体设备使用面积更大、清晰度更高的彩色显示器，显示器使用的时间也增长了，背光功耗已提高到总功耗的50%以上。尽管电池技术取得了一些新进展，但电池容量的增加速度跟不上多媒体移动设备能量需求的增加。由于电池技术的进步跟不上电池使用需求，因此便携设备制造商难以满足消费者的期望，除非开发出降低功耗或提高电池容量的新方法，否则增加新功能就不可避免地会缩短电池使用时间。除了基于时间的调光、显示器暂停和亮度设置(由用户设定)等方法外，许多移动设备制造商正在采用环境光线感应(ALS)、内容自适应背光控制(cABC)和键盘/GPIO扩展器来减少电流消耗。对于大多数便携设备制造商来说，显示器背光成为导致电池很快耗尽的最主要原因之一。带有高分辨率彩色显示器的媒体密集型设备要求显示器在任何时候都有适当的照明，以免降低光学性能和可读性。尽管需要持续提供背光且功耗相对较高，高品质的透射式显示器仍受到移动设备制造商的青睐。与反射式显示器相比，其室内性能、NTSC(美国国家电视标准委员会)色彩饱和度、高对比度和高亮度更胜一筹。要降低背光功耗，必须尽可能严格地控制和管理背光强度。虽然在不工作时进行背光调光可节省功率，但由于许多设备包含Web浏览、电子邮件、GPS导航、游戏或视频播放等功能，要求在长时间的用户互动期间保持背光。一种方式是通过产品设置菜单中的亮度控制来调节背光强度，以在使用这些功能期间节省功率，但这种方式需要用户输入信息并需针对不同的环境光线条件更改设置，才能切实获得节电效果。这些方法对用户并不实用，也不足以满足今天的密集且独特的使用情形的需求。环境光线感应(ALS)液晶显示屏或键盘所需要的背光量随光线条件的改变而有很大变化。环境光线感应依靠光电二极管或晶体管来测量局部光线强度。光源可以是太阳、办公室灯光或月光。传感器把捕获的光亮度转变成电流或电压，背光驱动器或处理器可基于预设的阈值决定液晶显示器或键盘要求多少背光。在暗光条件下，用晴天所需的大电流来驱动显示器背光，不但浪费能量且可导致黑暗条件下的眼球紧张。相对于在明亮条件下对典型使用情形驱动背光LED所需的电流，根据环境光线条件改变背光强度可节省电流60%以上。ALS实现方法 一些制造商使用模拟或数字光传感器IC来检测环境光。模拟光传感器把光线转换成电流，而数字光传感器使用内部ADC产生数字比特流。由于实现简单，模拟光传感器较为便宜。无论使用哪种传感器，都需要对输出进行解码以便使用。许多设计使用主处理器，完成传感器输出解码和背光控制。但是，主处理器必须足够快，才能提供多媒体功能，其较高的速度和带宽也意味着在实现ALS轮询功能时有较大的电流消耗。因此，要降低电池消耗，必须最大限度地减少处理器的参与。有些IC集成了光输入解码和背光驱动控制功能。在背光驱动器中集成光传感器有几个优点：首先，驱动器使用简单的状态机来完成任务，使解码和背光控制所需的电流减少到不到20μA；其次，一切都在一个封装中，在PCB布局中减少了连接和引线的数量；第三，最大限度地减少了在背光驱动器和主处理器之间的通信。
                          
                       
                          
                                为向手机制造商提供更大的灵活性，这些集成器件可通过编程来设置阈值、迟滞和滤波时间。由于产品的机械设计都各不相同，要求智能驱动器具有足够的灵活性来处理所有条件。可编程阈值使手机制造商可对光线输入范围(如白天、办公环境或黑暗环境)编程，对每个阈值设置的迟滞可防止背光来回跳变。滤波时间让用户在进行背光调整之前，可以设定手机在某个照明环境中所保持的时间。这些调整可方便地提供手机制造商所需的灵活性，以修正不同产品之间的参数差异。

图1  内置光传感器输入和微型键盘/ GPIO扩展器的背光驱动器显示器背光分析显示器背光使用6个用18mA电流驱动的LED串，从电池吸取111mA(假定LED正向电压为3.5V，驱动器效率为85%，电池电压4V)。因此，如果一直以最大强度驱动，仅显示器背光就将在9.9h内消耗1100mA.h的电量。显示器并非在所有条件下都需最大强度的背光照明，在环境光线较弱时(如在办公室、电影院和室外的夜晚)可降低照明强度，从而节省大量的能量。晴天的亮度范围为32000～100000lux，比明亮办公室400lux的亮度大2个数量级。因此，当从室外进入室内时，把背光强度减少一半甚至更多将不会对显示器的可用性或可读性造成任何损害。由于大多数人60%的时间在办公室里，这个背光亮度削减约可减少50%以上的电流消耗。对于前面的例子，背光功耗将由111mA降低到55.5mA。使用ALS，对同样的显示器，电量为1100mA.h的电池的使用时间将延长到19.8h。内容自适应背光控制(cABC)如图2所示，内容自适应背光控制(cABC)是一种分析显示内容并根据图像的灰度使用伽玛校正技术调整显示器背光的方法。显示驱动器把PWM波形输出到背光驱动器，并根据视频内容灰度和使用伽玛校正来改变占空比，对黑暗图像降低背光。在保持逼真的显示效果的同时，该技术降低了背光功耗并提高了显示对比度。这种方法在视频播放时尤其有用，因为画面可能会经过较长时间才从亮变到暗。cABC还可以减少静态图像和标准菜单屏幕的电流消耗。

图2  内容自适应背光控制(cABC) 可通过修改移动产品的用户界面来利用这些节省方法。随图像数据的不同，cABC可以把显示功耗降低20%?50%。如果与ALS相结合，能量节省幅度可超过70%。IC制造商已经在IC设计中利用cABC与ALS相结合带来的功率节省。
                          
                       
                          
                                键盘背光 除显示器背光之外，ALS还可以节省键盘背光功耗。大多数键盘有一个可视的丝网，当有足够的环境光可用时，键盘不需要背光。对于一般尺寸的键盘，基于LED或电致发光灯(EL)技术的背光从电池汲取约30mA电流。如果没有ALS，键盘必须在任何时候都打背光，消耗大量的能量。利用ALS，背光驱动器可以关闭或调暗键盘背光从而节省数百mA.h的能量。带有集成ALS控制的背光驱动器在光线变化时以中断方式通知处理器，以便改变键盘或其他外设照明。在用1100mA.h电池、111mA背光电流的显示器可以播放7h视频的设备上，视频模式功耗占总功耗的70%。依靠ALS可把显示器背光电流消耗削减一半，视频播放时间将从7h延长到10.8h。表1给出了在不同照明环境下ALS带来的能量节省。前例中的显示器和键盘背光在背光强度最大时汲取141mA的电流。在白天，键盘背光可完全关闭并节省21%的背光电流。真正的电流消耗节省是在办公室和黑暗环境中。在办公室环境，显示器背光电流可削减50%而没有明显的显示质量下降，且同样无须键盘背光就可看清键盘。依靠ALS实现，总的背光电流消耗可减少61%。在黑暗环境，合理地减弱键盘背光并在黑暗环境中保持充分大的电流，可把显示器背光电流降低到24mA，总的背光电流消耗可减少62%。表1 在不同亮度环境下ALS对背光电流消耗的影响比较

GPIO/键盘扩展器为了更好地利用电池的每mA.h电量，必须寻找所有可能的节能方法。近年来，短信量增加了100倍。青少年向朋友和亲人发短信的次数比在手机上谈话还要多。虽然没有像背光那样大的功耗，但每次击键都会唤醒应用处理器，在几ms时间内消耗几mA电流。每天数千次按键累加起来可使耗流量迅速增加，进而消耗几十mA.h的电池容量。为提高处理器带宽和减少处理器耗电，在QWERTY蜂窝电话设计中，手机设计人员依靠键盘扩展器来处理键盘。键盘扩展器处理所有按键，从而节省处理器带宽和降低耗流。锁键功能和光传感器解码等功能也集成在IC中，从而节省更多的带宽和功耗。