智能時代的手機已不僅僅是語音和簡單的SMS數據通訊設備，現在它已然成為一個功能超強的個人移動多媒體終端。手機屏幕的顯示越細膩，色彩表現越豐富，屏幕尺寸越大，消費者的用戶體驗則越好。視網膜屏、IPS屏等高清高亮屏大大提高了手機屏幕的分辨率和色彩表現。智能手機屏幕的主流尺寸在3.7~4.3寸之間，手機屏的背光LED數目和屏的分辨率和屏的亮度有關——屏的分辨率越高，相同亮度就需要更多背光LED；相同分辨率背光LED數目越多，屏幕亮度越亮。對于4.0寸屏而言，一般需要6~8顆背光LED，4.3寸屏需要8~10顆背光LED。
電感升壓型背光驅動由于具有LED電流匹配度好、和屏的接口連線少等優點，而被手機設計人員選做大尺寸的智能手機背光驅動。但電感升壓型背光驅動容易產生EMI輻射，可能會對GSM、GPS或者其他射頻模塊產生EMI干擾而影響射頻靈敏度，嚴重的會出現搜不到臺、掉網等問題。而PCB的地波動、射頻模塊同樣也會產生EMI輻射，也可能引起電感升壓型背光驅動的輸出電流變化，從而出現閃屏的問題。
本文首先分析了電感升壓型背光驅動的EMI輻射來源，以及上海艾為電子技術有限公司的電感升壓型背光驅動芯片如何通過內部電路的優化設計，來降低電感產生的EMI輻射和調光時VOUT的EMI輻射，并對PCB設計提出了優化EMI性能的建議。針對閃屏，文中分析了閃屏的原因，介紹了上海艾為的第二代電感升壓型背光驅動恒流恒壓雙反饋環路、RNS(射頻噪聲抑制)技術如何減小閃屏的風險。最后，本文介紹了上海艾為的大屏背光產品系列。
升壓過程中產生的EMI輻射及應對
電感升壓型背光驅動工作時，電感上的電流是瞬態快速變化的。變化的電流在電感上會產生電磁場，是電感升壓型背光驅動的最主要EMI輻射來源。圖1是市面上某款電感升壓型背光驅動的SW引腳的電壓波形和EMI的測試結果。
圖1：某款電感升壓型背光驅動的SW引腳波形和EMI測試結果。
圖1紅色實線是FCC CLASS B的標準線。紅色虛線是-6dB的裕量線，一般要求EMI測試結果不超過裕量線。藍色曲線是此款芯片的實際EMI測試結果——可以看到在100~600MHz有明顯的EMI能量；在300~500MHz頻率段已經接近甚至有部分超過了FCC CLASS B的標準線。這將可能對手機中的FM、CMMB和射頻模塊產生非常嚴重的影響。
電感升壓型背光驅動SW引腳產生的EMI輻射主要有：開關信號和電感上電流變化產生的EMI輻射——電感升壓型背光驅動的工作頻率一般在1MHz附近，開關信號和電感上的電流變化產生的EMI輻射頻段主要在10MHz以下；開關信號沿產生的EMI輻射——開關信號沿的變化在納秒級范圍，沿越陡，越容易產生振鈴信號。陡峭的沿和振鈴信號都會產生很大分量的高頻EMI輻射(頻段集中在幾百MHz甚至GHz)，是影響FM、CMMB和GSM射頻信號靈敏度的主要EMI來源。
降低高頻的EMI輻射，就要讓開關信號的沿變緩，但沿變緩會使在沿上消耗的功率增加，影響背光驅動的轉換效率。所以，EMI輻射的改善和效率的提升是矛盾的，需要相互折中。
圖2是第二代串聯背光上海艾為的AW9910/AW9920的EMI測試結果。為了同時取得最優的EMI性能和轉換效率，AW9910/AW9920采用了專利技術的SW引腳信號沿斜率可變驅動技術，在信號沿的初期，驅動能力增強，信號沿的斜率較快，而在信號沿的末期，驅動能力變弱，信號沿的斜率降低，這樣在信號沿上消耗的功率更小，EMI輻射也更小。從圖2的EMI測試結果可以看到，AW9910/AW9920的EMI性能相比圖1最大提高了25dB！
圖2：AW9920STR/DNR的SW引腳波形和EMI測試結果。
調光時產生的EMI輻射及應對
SW引腳輸出信號的EMI輻射是手機設計人員關注得比較多的問題，但大家往往發現即使已經花費很大力氣，減小SW引腳輸出信號的EMI輻射，但EMI問題依然存在。電感升壓型背光驅動芯片在PWM調光時輸出電壓VOUT可能會產生很大的輸出紋波。這也是一個EMI輻射源，但卻容易被手機設計人員忽視。
圖3是某款采用普通PWM調光方式的電感升壓型背光驅動在PWM調光時的使能引腳(EN)和輸出VOUT的波形。從圖3中可以看到，用10KHz 50%占空比的PWM信號調光時，輸出電壓VOUT上的紋波高達4V。而且我們發現，調光頻率越低，輸出電壓紋波越大。而在PCB設計中，輸出VOUT需要從背光驅動模塊接到屏的背光LED的陽極，走線會比較長，這樣VOUT走線的輸出紋波也是一個嚴重的EMI輻射源！
圖3：某款電感升壓型背光驅動PWM調光時輸出VOUT紋波(10KHz、50%占空比)。
輸出電壓上紋波幅度過大還會在輸出電容上產生刺耳的嘯叫聲。這是由于輸出MLCC電容的壓電效應產生的振動而引起的。一般紋波幅度超過0.5V就能聽到明顯的嘯叫聲。提高調光頻率是一種解決辦法，但提高調光頻率會影響PWM調光的調光線性度，甚至會使調光功能失效，而且也沒有從根本上解決問題。
上海艾為的電感升壓型背光驅動AW9920STR/DNR采用了創新的PWM轉恒流調光方式。PWM轉恒流調光接收普通的PWM調光信號，經過內部的電路轉化，最終輸出一個恒定的輸出電流。輸出電流的大小與PWM調光的占空比成正比。輸出電流恒定，輸出電壓上的紋波就非常小了。圖4是AW9920在同樣條件下的測試結果，而AW9920的輸出電壓紋波不超過100mV。輸出VOUT上的EMI輻射和電容嘯叫的問題得到了完美解決！而且AW9920支持更高的調光頻率。調光頻率越高，EMI性能和電容嘯叫問題改善越好，同時還不影響調光線性度。
圖4：AW9920 PWM調光時輸出VOUT紋波(10KHz、50%占空比)。
采用斜率可變的驅動技術和PWM轉恒流調光技術，使得上海艾為的第二代串聯背光驅動EMI性能顯著改善。這對PCB的設計要求也就大幅降低，而且還消除了輸出電容的嘯叫聲。但EMI輻射是一個非常復雜而難以感知的問題，在PCB設計時手機設計人員還要特別注意：連接至SW引腳的連線盡量短、面積盡量小，以減小SW走線上的EMI輻射；電感盡可能采用屏蔽電感；輸入VIN和輸出VOUT的旁路電容盡可能靠近芯片的對應引腳；電源經過芯片到地的走線要根據電流走線布線，盡可能減小寄生電阻和寄生電感；背光驅動模塊電源和其他模塊電源走線盡可能采用星星接法；地線盡可能采取鋪地的方式，并且和其他易受干擾的模塊地分開；背光驅動模塊建議用屏蔽罩屏蔽，以盡可能降低EMI輻射。
地干擾引起的閃屏和應對
傳統的第一代電感升壓型背光驅動采用的是外接反饋電阻的方式設定LED電流。其典型應用圖如圖5所示。這種架構在應用時如果反饋電阻的地和背光驅動芯片的地PCB共地不好，背光驅動芯片的地和反饋電阻的地波動幅度或者方向不一致的話，就會導致反饋電阻上的電壓波動而閃屏。而且屏幕亮度越暗，反饋電壓越小，閃屏的風險越大。
圖5：傳統電感升壓型背光驅動典型應用圖。
作為第二代電感升壓型背光驅動，上海艾為的電感升壓型背光驅動采用的是恒流和恒壓雙反饋環路——在傳統的恒壓控制環路上增加了一個內置Q-Mirror的恒流控制環路。恒流環路產生恒定的輸出電流；恒壓環路產生最低的輸出電壓。雙環路的控制方式更合理且不受地波動對LED輸出電流的影響，完全沒有第一代電感升壓型背光驅動存在的閃屏風險。
第一代電感升壓型背光驅動在關斷狀態還存在一個從電源經過LED串和反饋電阻到地的通路而導致漏電；而AW9910/AW9920在關斷狀態Q-Mirror會關閉，LED陰極到地呈高阻狀態，從而切斷了漏電通路。
射頻信號對電感升壓型背光驅動產生的干擾及應對
射頻信號尤其是GSM信號在工作時會產生間歇的突發電流和很強的EMI輻射。間歇的突發電流還會形成217Hz的電源波動。217Hz的電源波動會通過傳導耦合到電感升壓型背光驅動的電源輸入端。900MHz和1800MHz的高頻射頻信號形成217Hz的射頻包絡信號，這些高頻的射頻包絡信號會干擾反饋引腳，甚至是穿透封裝干擾芯片內部的關鍵電路節點，從而引起閃屏。
上海艾為的第二代電感升壓型背光驅動均采用了RNS(射頻噪聲抑制)技術。通過內部的特有電路架構和電路設計對傳導和輻射干擾進行全方位的抑制，有效提高了閃屏的抑制能力。
上海艾為的智能機背光驅動系列
AW9910STR/DRN和AW9920STR/DNR是上海艾為全新的電感升壓型背光驅動。它們采用艾為獨創的EMI抑制技術和PWM轉恒流調光技術最大程度減小了噪聲輻射。集成Q-Mirror架構的恒流和恒壓雙反饋控制環路及RNS技術，使LED的恒流輸出電流更加穩定，更不易受干擾。AW9910和AW9920均同時支持SOT23-5L封裝和封裝熱阻更小的DFN2x2-8L封裝。其中，AW9920的典型應用圖如圖6所示。
圖6：AW9920典型應用圖。
上海艾為的背光驅動產品線是業界最豐富的產品線之一，針對智能機的大屏背光驅動主要產品見表1。
表1：上海艾為智能背光驅動系列。
本文小結
智能機興起使大屏和高清高亮屏成為了手機屏幕的主流，而電感升壓型背光驅動逐漸成為了大屏背光驅動的主流背光驅動。但射頻干擾和閃屏是電感升壓型背光驅動經常會碰到而且很難解決的兩個問題。本文分析了這兩個問題的產生來源、芯片內部如何盡可能的減少EMI的輻射以及采用創新的背光驅動架構解決閃屏的問題。另外，在PCB的設計上也提出了與之相關的建議，以幫助設計人員設計出能滿足性能更優的智能機背光驅動模塊。 |
