CN100511377C - 具有平衡调光功能的键盘背光驱动系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明系关于一种具有平衡调光功能的用于控制键盘背光亮度的设备。所述键盘背光包括多个发光二极管(LED)。该设备包括一个开关和一个脉宽调制(PWM)生成器。开关连接在电源和LED之间，PWM生成器连接在电源和开关之间，可生成PWM信号并控制多个LED的亮度。

Description

具有平衡调光功能的键盘背光驱动系统和方法

技术领域

本发明系关于电源管理，具体为移动设备键盘背光的电源管理电路。

背景技术

当前，键盘背光显示日益提高的性能需求推动用于发光二极管(LED)的驱动电路不断发展，驱动电路逐渐集成到集成电路中。在很多背光显示应用中，尤其是键盘显示应用中，如移动电话、移动数据助理(PDA)及其它手持设备等，都要求使用高效率的驱动电路来驱动发光二极管。此类键盘背光显示应用通常都要求能对供电电压的变化作出快速回应，要求配置合理以提高系统效率和电源(例如用于键盘背光显示的电池)寿命。

传统背光驱动电路中，通常由电源电压来控制LED的亮度。当电源电压变化时，LED的亮度控制变得复杂。传统的背光驱动方法消耗功率也比较大，由于电源功率有限，手持设备的电池寿命大幅缩短。

图1为当前技术的背光驱动电路100的块图。背光驱动电路100包括一个电源(电池110)，一个控制开关120，一个由多个发光二极管(130，140，150和160彼此并联)组成的LED阵列。电池110连接至控制开关120，控制开关120连接至LED 130、140、150和160的阳极。控制开关120打开时，电池110可直接给LED 130、140、150和160供电。通常控制开关120以一个所需的频率打开和关闭，使得电池110给LED 130、140、150和160供电。当电池110的电压(电池电压)变化时，提供给LED 130、140、150和160的电压也会变化，使得流经LED阵列的电流大小变化。换言之，当各个LED的串联电阻阻值固定时，流经LED 130、140、150和160的电流大小将由电池110的电压决定，使得电池110的电压变化时各个LED的功率也随之变化。当电池110的电压较高时，LED 130、140、150和160将消耗更大的功率，使得背光驱动电路100的效率大打折扣。

图2为当前技术的另一背光驱动电路200的块图。与电路100不同，背光驱动电路200使用了一个低压降(LDO)电路220，该电路通常能给LED 130、140、150和160提供一个精确校准的稳定直流电压，其输入电压和输出电压差较小。这样，即使电池110的电压变化，LED 130、140、150和160的阳极电压也可保持稳定，也就是说，LED 130、140、150和160的阳极电压独立于电池110的电压。然而，配置LDO电路220给LED 130、140、150和160供电使得其功率符合要求的同时，LDO电路220本身也消耗了很大的功率。由于LDO电路220的功率损失过大，背光驱动电路200的效率也大受影响。

综上所述，使用控制开关120或LDO电路220的背光驱动电路都会引起额外的功率消耗，使得背光驱动电路系统效率低下。当前技术的以上不足也大大降低了背光驱动电路的性能。

因此，需要有一种设备和方法，当电源电压在较大范围内变化时能够提供可变的驱动信号来调整LED阵列的亮度使其保持稳定，并提高背光驱动电路的效率。本发明之主旨即在提供此种设备和方法。

发明内容

本发明的一个实施例为一种具有平衡调光功能的键盘背光亮度控制设备，该键盘背光含有多个LED。该设备含有一个电源、一个开关和一个脉宽调制

(PWM)生成器。开关连接在电源和LED之间。PWM生成器连接在电源和开关之间。该PWM生成器可生成一个PWM信号，用于控制开关以调整LED的亮度。

其中，所述PWM生成器包括：

一个能够从外部处理器接收数据并将数据存储于存储单元的接口单元，上述数据包括一组参考电压控制信号和一组占空比和频率控制信号；

一个检测器，该检测器可以检测电源电压并根据从存储单元接收的所述参考电压控制信号选取参考电压，通过比较所述电源电压和参考电压而并生成多个表示电源电压的数字信号；

一个占空比控制器，该占空比控制器接收来自检测器的上述多个数字信号，并根据其选择合适的占空比和频率以生成用于控制开关的PWM信号。

本发明的另一实施例为一种用于键盘背光驱动的设备。该设备含有一个电源、多个LED和一个具有平衡调光功能的驱动电路。该驱动电路连接至电源并可生成一个PWM信号。驱动电路包括一个连接至电源的开关和一个PWM生成器。PWM生成器连接在电源和开关之间。多个LED用于键盘背光照明。各个LED都有一个阳极。所有LED都由来自驱动电路的PWM信号控制。各个LED的阳极连接至开关。PWM生成器可生成一个PWM信号并控制开关来调整LED的亮度。

其中，所述PWM生成器包括：

一个接口单元，该接口单元可以从外部处理器接收数据并将数据存储于存储单元，所述数据包括一组参考电压控制信号和一组占空比和频率控制信号；

一个检测器，该检测器可检测电源的电压，并根据从存储单元接收的所述参考电压控制信号选取参考电压，通过比较所述电源电压和参考电压而生成多个表示电源电压的数字信号；

一个占空比控制器，该占空比控制器从检测器接收上述多个数字信号，并根据其选择合适的占空比和频率以生成PWM信号用于控制开关。

本发明的另一实施例为一种用于含有多个LED的键盘背光驱动的方法。该方法之步骤包括从电源接收电压，根据电源电压生成PWM信号，根据PWM信号控制开关打开和关闭，以及根据开关的控制生成多个电流来驱动各个LED。其中，所述生成PWM信号的步骤还包括：

在外部处理器控制下由一个检测器选择多个参考电压；

将所选参考电压与电源电压相比较；

根据上述电源电压与参考电压的比较结果生成多个控制信号；

由上述多个控制信号控制从多个占空比和多个频率中分别选择一个；

根据所选占空比和频率生成PWM信号，该PWM信号的幅度与电源电压大小相等。

附图说明

结合相应附图，以下对典型实施例的详细描述使得本发明之特性和优点显而易见。

图1为当前技术使用控制开关的背光驱动电路块图；

图2为当前技术使用LDO电路的背光驱动电路块图；

图3为使用本发明实施例的具有平衡调光功能的典型背光驱动电路块图；

图4为图3中流经某个LED的电流示意图；

图5为图1中背光驱动电路的单个LED的典型功率消耗示意图；

图6为图3中背光驱动电路的单个LED的典型功率消耗示意图。

具体实施方式

简单来说，本发明提供一种具有平衡调光功能的设备用于控制键盘背光的亮度，该设备功率较小。图3为具有平衡调光功能的典型背光驱动电路300的块图。在此实施例中，背光驱动电路300可包括一个电源(如电池110)，一个平衡调光控制电路320，以及一个LED阵列。LED阵列由多个LED组成，如LED130、140、150和160。平衡调光控制电路320连接在电池和多个LED之间。电池110可在平衡调光控制电路320的控制下给LED阵列提供一个电池电压。

平衡调光控制电路320可包括一个PWM生成器330和一个控制开关340。PWM生成器330、控制开关340及其它必要元件可集成在一个集成电路(IC)里面。实际操作中，控制开关340的打开和关闭由一个来自PWM生成器330的PWM信号控制，该信号具有预设的开关频率和开关周期。

PWM生成器330包括一个检测器332、一个占空比控制器334、一个存储单元336以及一个接口单元338。存储单元336可包括多个寄存器。接口单元338通过一个任意类型的总线(如I2C总线或SMB总线)连接至一个外部处理器350。实际操作中，接口单元338通过该总线从处理器350接收时钟信号和数据信号，并将来自处理器350的数据存储于存储单元336中。存储单元336中的数据也可由作为主单元工作的处理器350来编程和控制。存储单元336中存储的数据包括一组参考电压控制信号和一组占空比和频率控制信号。可选择一个占空比来控制开关340的打开时间(Ton)，该时间可直接影响LED阵列的亮度。第一组控制信号可用于为检测器332选择多个参考电压。

检测器332由多个比较器组成，各个比较器的非反相输入端连接到电池110。这样，检测器332可以在各个比较器的非反相输入端检测到电池110的电池电压。由来自存储单元336的多个控制信号控制，检测器332可在各个比较器的反相输入端接收到由上述IC在内部生成的多个参考电压。换言之，参考电压系根据来自存储单元336的数字信号(即第一组控制信号)来选取并传输给各个比较器。随之检测器332将各个参考电压和电池110的电池电压相比较并输出多个数字信号给占空比控制器334。因此，检测器实际上作为一个模拟/数字转换器(ADC)工作，将模拟信号(即电池电压)转换为多个数字信号。根据来自检测器332的数字信号和一个来自外部的时钟信号，占空比控制器334从其中存储的多个占空比中选择一个。同时还将从占空比控制器334中选择一个合适的频率。这样，占空比控制器334将生成一个具有选定的开关频率和选定的占空比的PWM信号并传输出来作用于控制开关340。

控制开关340根据PWM生成器330所生成的PWM信号的开关频率和开关占空比来工作，循环打开和关闭，将一个具有上述开关频率和开关占空比的电压传输给LED阵列。通常LED阵列中每个LED都有一个与之串联的电阻，具有上述开关频率和开关占空比的电流将流经各个LED和与之串联的电阻。

图4为流经图3中LED阵列的电流示意图400。由于内部因素和外部环境的影响，电池110的电压可能发生变化。当其变化时，流经LED阵列中各个LED的电流也随之发生变化。曲线410即为电池电压较高时流经各个LED的电流。此时在PWM生成器330的控制下，占空比将设定在一个较小值，使得控制开关340的打开时间Ton较小。这样，流经各个LED的电流将较大，同时占空比较小。与之类似，曲线420为电池110的电压较低时流经各个LED的电流。此时电流较小但占空比较大。

当电池电压变化时，为使LED阵列的亮度保持稳定，图3中使用了一种平衡技术。在PWM生成器330的控制下达到了一种平衡，即“电流1乘以Ton1”与“电流2乘以Ton2”非常接近或完全相等。使用此平衡技术，当电池110的电压在较大范围内变化时LED阵列的亮度可以保持稳定。另外，该平衡技术可以避免不必要的功率损耗，尤其是在电池电压升高时。

以下将用实例进一步说明图1中只有开关控制而不具备平衡调光功能的背光驱动电路100的机制和特性。图5为当前技术之背光驱动电路100(如图1)中单个LED(如LED 130)的典型功率消耗示意图500。曲线510为单个LED(如背光驱动电路100中的LED 130)在电池电压从3.3伏至4.2伏时的功率消耗。假设背光驱动电路100中电池110的电压为3.3伏，电阻132的阻值为100欧姆。由于LED 130上存在一个压降，流经LED 130的电流大小约为6毫安。LED 130的功率消耗约为19.8毫瓦，见以下等式(1)。当电池电压为3.7伏，LED130的功率消耗约为33.3毫瓦，见以下等式(2)。当电池电压升高至4.2伏，LED130的功率消耗约为50.4毫瓦，见等式(3)。

P＝3.3V×6mA＝19.8mW  (1)

P＝3.7V×9mA＝33.3mW  (2)

P＝4.2V×12mA＝50.4mW (3)

如果当电池110的电压为3.3伏时LED 130的亮度适中，则当电池电压变为4.2伏时，LED 130的亮度远远超过了该适中亮度，浪费了大量功率。比较图5中当电池电压分别为3.3伏和4.2伏时，功率消耗相差达到大约30毫瓦。也就是说，单个LED就浪费了30毫瓦的功率。上述应用中通常使用6至12个LED，浪费的总功率非常之大。

图6为图3的背光驱动电路300中单个LED典型功率消耗示意图600。曲线610为电池电压从3.3伏至4.2伏时单个LED(如背光驱动电路300中的LED130)的功率消耗。对于具有平衡调光功能的背光驱动电路300，假定其中电阻132的阻值为50欧姆。当电池110的电压为3.3伏，流经电阻132的电流约为9毫安。此时PWM控制器334设定PWM信号的占空比为66％。LED 130此时的功率消耗约为19.6毫瓦，见等式(4)。与之类似，当电池110的电压从3.3伏升高到3.7伏和4.2伏时，流经LED 130的电流分别约为14毫安和20毫安，同时PWM信号的占空比分别设定为42％和30％。LED 130的功率大约分别为21.8毫瓦和25毫瓦，分别见等式(5)和等式(6)。图6中，对比电池电压为3.3伏和4.2伏的情况，单个LED功率相差大约5毫瓦。与当前技术相比，具有平衡调光功能的键盘背光应用明显节能，电池110的使用寿命大为延长。

P＝3.3V×9mA×0.66＝19.6mW  (4)

P＝3.7V×14mA×0.42＝21.8mW (5)

P＝4.2V×20mA×0.30＝25mW  (6)

实际操作中，当控制开关340打开时，电池110给LED阵列供电，并可直接影响流经LED阵列中各个LED的电流大小。由于电池110的电压通常在一个固定的范围内变化，可配置PWM生成器330来补偿LED阵列的亮度变化使其保持稳定。

随着使用时间的增长，电池110的电压一般会越来越小。当电池110的电压较高时，流经LED阵列的电流比较大。为使LED阵列的亮度保持稳定，需要对其照明时间进行调整。在此情况下，PWM生成器330即用于调整流经LED阵列的电流。在启动过程中，配置PWM生成器330执行自动调整，在可编程处理器350的控制下选取合适的占空比和频率。PWM生成器330内部的检测器332可以从电池110接收电池电压，并根据存储单元336中存储的第一组控制信号选取合适的参考电压。接下来，作为ADC工作的检测器332可比较电池电压和所选取的参考电压并生成多个数字信号传输给占空比控制器334。这些数字信号用于选择合适的占空比。同时给PWM信号选择一个合适的频率。占空比控制器334将选择好占空比和频率的PWM信号输出给控制开关340。通过控制控制开关340的打开时间，可调整LED阵列的亮度使其保持在一个固定值。当电池电压下降时，PWM生成器生成具有较高占空比的PWM信号来调整LED阵列的亮度，反之亦然。

在此描述之实施例仅为从可实现本发明的多个实施例中选取之部分，在此用作说明而非限制。本领域技术人员显然理解，在不背离后附权利要求所界定的本发明之精神和发明范围的前提下，可以有众多其它实施例。另外，在此描述和要求的本发明之要素可能为单数，在不特别注明限于单数的情况下同样适用于复数。

Claims (7)

1.一种具有平衡调光功能的用于控制键盘背光亮度的设备，键盘背光含有多个发光二极管，所述设备包括一个电源，其特征在于，还包括：

一个连接于电源和多个发光二极管之间的开关；

一个连接于电源和开关之间的脉宽调制生成器，该脉宽调制生成器可生成一个脉宽调制信号用于控制开关以调整发光二极管的亮度，其中，所述脉宽调制生成器包括：

一个能够从外部处理器接收数据并将数据存储于存储单元的接口单元，上述数据包括一组参考电压控制信号和一组占空比和频率控制信号；

一个检测器，该检测器可以检测电源电压并根据从存储单元接收的所述参考电压控制信号选取参考电压，通过比较所述电源电压和参考电压而生成多个表示电源电压的数字信号；

一个占空比控制器，该占空比控制器接收来自检测器的上述多个数字信号，并根据其选择合适的占空比和频率以生成用于控制开关的脉宽调制信号。

2.根据权利要求1所述之设备，其特征在于，所述检测器包括多个比较器，这些比较器由来自存储单元的一组参考电压控制信号控制接收多个参考电压，并将参考电压与电源电压相比较以生成多个数字信号。

3.根据权利要求1所述之设备，其特征在于，所述脉宽调制生成器可在外部处理器控制下工作。

4.一种用于键盘背光驱动的设备，所述设备包括一个电源，其特征在于，还包括：

一个具有平衡调光功能的驱动电路，该驱动电路连接至电源并可生成一个脉宽调制信号，该驱动电路包括：

一个连接至电源的开关；

一个连接在电源和开关之间的脉宽调制生成器；

多个用于键盘背光照明的发光二极管，每个发光二极管都有一个阳极，这些发光二极管由来自驱动电路的脉宽调制信号控制，其阳极连接至开关；

其中脉宽调制生成器可生成脉宽调制信号并控制开关来调整发光二极管的亮度，其中，所述脉宽调制生成器包括：

一个接口单元，该接口单元可以从外部处理器接收数据并将数据存储于存储单元，所述数据包括一组参考电压控制信号和一组占空比和频率控制信号；

一个检测器，该检测器可检测电源的电压，并根据从存储单元接收的所述参考电压控制信号选取参考电压，通过比较所述电源电压和参考电压而生成多个表示电源电压的数字信号；

一个占空比控制器，该占空比控制器从检测器接收上述多个数字信号，并根据其选择合适的占空比和频率以生成用于控制开关的脉宽调制信号。

5.根据权利要求4所述之设备，其特征在于，所述检测器包括多个比较器，这些比较器可以由来自存储单元的一组参考电压控制信号控制接收多个参考电压，并将电源电压和参考电压相比较以生成多个数字信号。

6.根据权利要求4所述之设备，其特征在于，所述脉宽调制生成器可在外部处理器控制下工作。

7.一种键盘背光驱动方法，所述键盘背光包括多个发光二极管，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

从电源接收一个电压；

根据电源的电压生成一个脉宽调制信号；

根据脉宽调制信号控制开关打开和关闭；

在开关控制下生成多个电流以驱动各个发光二极管；

其中，所述生成脉宽调制信号的步骤还包括：

在外部处理器控制下由一个检测器选择多个参考电压；

将所选参考电压与电源电压相比较；

根据上述电源电压与参考电压的比较结果生成多个控制信号；

由上述多个控制信号控制从多个占空比和多个频率中分别选择一个；

根据所选占空比和频率生成脉宽调制信号，该脉宽调制信号的幅度与电源电压大小相等。

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