TWI329879B

TWI329879B - Apparatus and method for driving keypad backlight with balance-dimming capability

Info

Publication number: TWI329879B
Application number: TW095136039A
Authority: TW
Inventors: Jacky Lin; Crystal Cheng; Mingkwang Han
Original assignee: O2Micro Int Ltd
Priority date: 2005-10-14
Filing date: 2006-09-28
Publication date: 2010-09-01
Also published as: CN100511377C; US20070085786A1; SG131864A1; TW200721220A; CN1959792A

Description

1329879 (1) 九、發明說明【發明所屬之技術領域】本發明系關於電源管理，具體言之，尤指關於可移動設備的鍵盤背光的電源管理電路。【先前技術】目前，鍵盤背光顯示日益提升的性能需求推展用於發光二極體（LED )的驅動電路不斷發展，驅動電路逐漸形成到積體電路中。在很多背光顯示應用中，尤其是鍵盤顯示應用中，如移動電話、可攜式數位助理（PDA )及其它手持設備等，都要求使用高效率的驅動電路來驅動發光二極體。此類鍵盤背光顯示應用通常都要求能對供電電壓的變化作出快速回應，要求配置合理以提升系統效率和電源 (例如用於鍵盤背光顯示的電池）壽命。傳統背光驅動電路中，通常由電源電壓來控制LED 的亮度。當電源電壓變化時，LED的亮度控制變得複雜。傳統的背光驅動方法消耗功率也比較大，由於電源功率有限，手持設備的電池壽命大幅縮短。

圖1爲目前技術的背光驅動電路100的方塊圖。背光驅動電路1〇〇包括一電源（電池110)，一控制開關120 ’ 一由多個發光二極體（130，140，150和160彼此並聯 )組成的LED陣列。電池1 1 〇連接至控制開關丨2〇，控制開關120連接至LED 130、140、150和160的陽極。控制開關120打開（turn on)時，電池110可直接給LED (2)1329879

130、140、150和160供電。通常控制開關120以一所需的頻率打開和關閉（turn off )，使得電池 1 10給 LED 130' 140、150和160供電。當電池110的電壓（電池電壓）變化時，提供給LED 130、140、150和160的電壓也會變化，使得流經LED陣列的電流大小變化。換言之，當各個LED的串聯電阻阻値固定時，流經LED 130、 140' 150和160的電流大小將由電池110的電壓決定，使得電池110的電壓變化時各個LED的功率也隨之變化。當電池110的電壓較高時，LED 130、140、150和160 將消耗更大的功率，使得背光驅動電路100的效率大打折扣。

圖2爲目前技術的另一背光驅動電路2 00的塊圖。與電路100不同，背光驅動電路200使用了一個低壓降（ LD0)電路220，該電路通常能給LED 130、140、150和 160提供一精確校準的穩定直流電壓，其輸入電壓和輸出電壓差較小。這樣，即使電池1 10的電壓變化，LED 130 、140、150和160的陽極電壓也可保持穩定，也就是說，LED 130、140、150和160的陽極電壓獨立於電池11〇的電壓。然而，配置 LD0電路220給LED 130、140、 150和160供電使得其功率符合要求的同時，LD0電路 220本身也消耗了很大的功率。由於LDO電路220的功率損失過大，背光驅動電路2 00的效率也大受影響。綜上所述，使用控制開關120或LDO電路220的背光驅動電路都會引起額外的功率消耗，使得背光驅動電路 -6 - (3)1329879 系統效率低下。當前技術的以上不足也大大動電路的性能。因此，需要有一種設備和方法，當電源圍內變化時能夠提供可變的驅動信號來調整亮度使其保持穩定，並提升背光驅動電路的之主旨即在提供此種設備和方法。

【發明內容】本發明的一實施例爲一種具有平衡調光攻光亮度控制設備，該鍵盤背光含有多個LED。一電源、一開關和一脈波寬度調變（PWM) I 連接在電源和LED之間。PWM產生器連接右之間。該PWM產生器可產生一個PWM信號開關以調整LED的亮度。

:低了背光驅 :壓在較大範 LED陣列的率。本發明能的鍵盤背該設備含有生器。開關電源和開關，用於控制驅動的設備有平衡調光可產生一個開關和一個之間。多個陽極。所有固LED的陽信號並控制

本發明的另一實施例爲一種用於鍵盤背光。該設備含有一個電源、多個LED和一個具功能的驅動電路。該驅動電路連接至電源並 PWM信號。驅動電路包括一個連接至電源的 PWM產生器。PWM產生器連接在電源和開關 LED用於鍵盤背光照明。各個LED都有一個 LED都由來自驅動電路的PWM信號控制。各. 極連接至開關。PWM產生器可產生一個PWM 開關來調整LED的亮度。本發明的另一實施例爲一種用於含有多個LED的鍵 (4) (4)1329879 盤背光驅動的方法。該方法之步驟包括從電源接收電壓，根據電源電壓產成PWM信號，根據PWM信號控制開關打開和關閉，以及根據開關的控制產生多個電流來驅動各個 LED。【實施方式】簡單來說，本發明提供一種具有平衡調光功能的設備用於控制鍵盤背光的亮度，如此可大大減少該設備之功率消耗。圖3爲具有平衡調光功能的典型背光驅動電路300 的塊圖。在此實施例中，背光驅動電路300可包括一電源 (如電池1 10 )，一平衡調光控制電路320，以及一 LED 陣列。LED陣列由複數 LED組成，如 LED 1 30、140、 150和160。該平衡調光控制電路320連接在該電池和複數LED之間。該電池1 10可在該平衡調光控制電路320 的控制下給該LED陣列提供一電池電壓。該平衡調光控制電路320可包括一 PWM產生器330 和一控制開關340。該PWM產生器3 30、該控制開關340 及其它必要元件可集成在一個積體電路（1C)裡面。實際操作中，該控制開關340的打開和關閉由一來自PWM產生器330的PWM信號控制，該信號具有預設的切換順序和切換週期。該PWM產生器330包括一檢測器332、一個責任週期（duty cycle)控制器元334、一儲存單元336以及一界面單元338。該儲存單元336可包括多個暫存器。該界 -8- (5) (5)1329879 面單元3 3 8透過一任意類型的匯流排（如I2C匯流排或 SMB匯流排）連接至一外部處理器3 50。實際操作中，該界面單元338透過該匯流排從處理器350接收時鐘信號和數據（data signal )信號，並將來自處理器350的數據存儲於存儲單元336中。該存儲單元336中的數據也可由作爲主單元工作的處理器3 50來編程和控制。該存儲單元 336中存儲的該數據包括參考電壓之第一複數控制信號和責任週期和頻率之第二複數控制信號。可選擇一責任週期來該控制開關3 40的打開時間（Ton )，該時間可直接影響該LED陣列的亮度。該第一複數控制信號可用於爲該檢測器332選擇複數參考電壓。該檢測器3 3 2由複數比較器組成，該複數比較器的非反相輸入端連接到電池1 1 〇。這樣，該檢測器3 3 2可以在該複數比較器的非反相輸入端檢測到電池1 1 〇的電池電壓。由來自該存儲單元336的複數控制信號控制，檢測器 3 3 2可在該複數比較器的反相輸入端接收到由該1C內部產生的該複數參考電壓。換言之，該複數參考電壓係根據數位信號（即來自存儲單元336的第一複數控制信號）來選取並傳輸給該複數比較器。隨之該檢測器332將該複數參考電壓和電池110的電池電壓相比較，並輸出複數數位信號給該責任週期控制器334。因此，該檢測器3 32還作爲一個類比/數位轉換器（ADC)工作，將一類比信號（即電池電壓）轉換爲複數數位信號。根據來自該檢測器 332的該複數數位信號和一外部時鐘信號，存儲於該責任 -9- (6)1329879 週期控制器334之一責任週期將被選定。同時還將從任週期控制器334中選定一個合適的頻率。這樣，該週期控制器334將產生一具有選定的切換頻率和選定任週期的PWM信號並傳輸出以該控制開關340。該控制開關340根據該PWM產生器3 3 0所產 PWM信號的切換頻率和責任週期以打開和關閉，如具有該切換頻率和責任週期的電壓將傳輸給該LED 。通常該LED陣列中每個LED都有一個與之串聯的，因此具有該切換頻率和責任週期的電流將流經各個和與之串聯的電阻。圖4爲流經圖3中LED陣列的電流示意圖400。內部因數和外部環境的影響，該電池110的電壓可能變化。當其變化時，流經該LED陣列中各個LED的也隨之發生變化。曲線410即爲電池電壓較高時流經 LED的電流。此時在該PWM產生器3 3 0的控制下，週期將設定在一個較小値，使得該控制開關340的打間Ton較小。這樣，流經各個LED的電流將較大，責任週期較小。與之類似，曲線420爲該電池110的較低時流經各個LED的電流。此時電流較小但責任較大。當電池電壓變化時，爲使LED陣列的亮度保持，圖3中使用了一種平衡技術。在PWM產生器330 制下達到了一種平衡，即“電流1乘以Ton 1 ”與“電乘以Ton2”非常接近或完全相等。使用此平衡技術該責責任的責生的此一陣列電阻 LED 由於發生電流各個責任開時同時電壓週期穩定的控流2 ，當 -10- (7)1329879 該電池110的電壓在較大範圍內變化時，led陣列的亮度可以保持穩定。另外，該平衡技術可以避免不必要的功率損耗，尤其是在電池電壓升高時。

以下將用實例進一步說明圖1中只有開關控制而不具備平衡調光功能的該背光驅動電路100的機制和特性。圖 5爲當前技術之該背光驅動電路100 (如圖1)中單個 LED (如 LED 130)的典型功率消耗示意圖 500。曲線 510爲單個LED (如背光驅動電路1〇〇中的LED 130)在該電池電壓從3.3伏至4.2伏時的功率消耗。假設該背光驅動電路100中該電池110的電壓爲3.3伏，電阻132的阻値爲100歐姆。由於該LED 130上存在一個壓降，流經該LED 130的電流大小約爲6毫安。該LED 130的功率消耗約爲19.8毫瓦，如以下等式（1)所示。當該電池電壓爲3.7伏，該LED 130的功率消耗約爲33.3毫瓦，如以下等式（2 )所示。當該電池電壓升高至4.2伏，該 LED 130的功率消耗約爲50.4毫瓦，如等式（3)所示。 P = 3.3 Vx6mA = 1 9.8 mW ( 1 ) P = 3.7Vx9mA = 33.3 mW ( 2) P = 4.2Vx 12mA = 50.4 mW ( 3) 如果當該電池110的電壓爲3.3伏時該LED 13 0的亮度適中，則當該電池電壓變爲4.2伏時，該LED 130的亮度遠遠超過了該適中亮度，浪費了大量功率。比較圖5中當電池電壓分別爲3 . 3伏和4.2伏時，功率消耗相差達到大約30毫瓦。也就是說，單個LED就浪費了 30毫瓦的 -11 - (8)1329879 功率。上述應用中通常使用6至12個LED，浪費的率非常之大。圖6爲圖3的該背光驅動電路3 00中單個LED 功率消耗不意圖 600。曲線 610爲電池電壓從 3.3 4.2伏時單個LED (如該背光驅動電路300中的該 130)的功率消耗。對於具有平衡調光功能的該背光電路300，假定其中該電阻132的阻値爲50歐姆。電池110的電壓爲3.3伏，流經該電阻132的電流約毫安。此時該責任週期控制器3 34設定該PWM信號任週期爲66%。LED 130此時的功率消耗約爲19.6 ，見等式（4)。與之類似，當該電池110的電壓從伏升高到3.7伏和4.2伏時，流經該LED 130的電流約爲14毫安和20毫安，同時該PWM信號的責任週別設定爲42%和 30%。該LED 130的功率大約分 21.8毫瓦和25毫瓦，分別見等式（5)和等式（6) 6中，對比電池電壓爲3.3伏和4.2伏的情浣，單個功率相差大約5毫瓦。與當前技術相比，具有平衡調能的鍵盤背光應用明顯節能，該電池1 1 〇的使用壽命 P -3.3 V X 9m A X 0.6 6 = 19.6 m W ( 4) P =3.7 Vx 14mAx〇.42 =21.8 mW ( 5 ) P =4.2V x20mAx〇.30 =25 mW ( 6 ) 實際操作中，當該控制開關340打開時，該電池給該LED陣列供電，並可直接影響流經該LED陣列總功典型伏至 LED 驅動當該爲9 的責毫瓦 3.3 分別期分別爲。圖 LED 光功大爲 110 中各 -12- (9) (9)1329879 個LED的電流大小。由於該電池Π0的電壓通常在一個固定的範圍內變化，可配置該PWM產生器3 3 0來補償 LED陣列的亮度變化使其保持穩定。隨著使用時間的增長，該電池11〇的電壓一般會越來越小。當該電池1 1 0的電壓較高時，流經該LED陣列的電流比較大》爲使該LED陣列的亮度保持穩定，需要對其照明時間進行調整。在此情況下，該PWM產生器330 即用於調整流經該LED陣列的電流。在啓動（power up )過程中，配置該PWM產生器330執行自動調整，在該可編程（programmable)處理器3 5 0的控制下選取該合適的責任週期和該合適的頻率。該PWM產生器330內部的該檢測器3 3 2可以從該電池1 1 0接收電池電壓，並根據該存儲單元336中存儲的該第一複數控制信號選取合適的該參考電壓。接下來，作爲ADC工作的該檢測器3 32可比較該電池電壓和該所選取的參考電壓並產生該複數位信號傳輸給該責任週期控制器334。該複數位信號用於選擇該合適的責任週期。同時給該PWM信號選定一合適的頻率。該責任週期控制器334將選定之該責任週期和頻率的該 PWM信號輸出給該控制開關340。透過控制該控制開關 3 40的打開時間，可調整該LED陣列的亮度使其保持在一個固定値。當該電池電壓下降時，該PWM產生器330產生具有較高責任週期的PWM信號來調整LED陣列的亮度，反之亦然β 在此描述之實施例僅爲從可實現本發明的多個實施例 -13- (10) (10)1329879 中選取之部分，在此用作說明而非限制。本領域技術人員顯然理解，在不背離後附權利要求所界定的本發明之精神和發明範圍的前提下，可以有眾多其它實施例。另外，在此描述和要求下的本發明之要素雖可能爲單數，但在不特別注明限於單數的情況下，同樣適用於複數。【圖式簡單說明】圖1爲目前技術使用控制開關的背光驅動電路塊圖；圖2爲目前技術使用LDO電路的背光驅動電路塊圖型典的能功光局衡平有具的例施實明發；本圖用塊使路爲電 3 訪圖驅光背圖4爲圖3中流經某個LED的電流示意圖；圖5爲圖1中背光驅動電路的單個LED的典型功率消耗示意圖；圖6爲圖3中背光驅動電路的單個LED的典型功率消耗示意圖。主要元件符號說明】 1〇〇 ‘·先前背光驅動電路圖 1 10 :電源 120 :控制開關

130、 140、 150' 160 ： LED 1 3 2 :電阻 -14- (11)1329879 200: LDO低壓降電路圖 220:低壓降電路 3 00 :本發明實施例 320 :平衡調光控制電路 3 3 0 : PWM產生器 3 3 2 :檢測器 3 3 4 :責任週期控制器

3 3 6 :存儲單元 3 3 8 :界面單元 340 :控制開關 35〇 :(可編程）處理器 400 : LED陣列電源示意圖 41 0 :曲線 420 :曲線

500:功率消耗不意圖（圖1的單個LED) 510 :曲線 600:功率消耗不意圖（圖3的單個LED) 6 1 0 :曲線

Claims

1329879 十、申請專利範圍巧年°(月⑼修(\)正替換頁 1. —種具有平衡變暗能力以控制鍵盤背光亮度之設備，該鍵盤背光含有複數發光二極體（LED )，該設備包括 —電源，還包括： —開關，連接於該電源和該複數LED之間；

一脈波寬度調變（PWM)產生器，連接於該電源和該開關之間，該PWM產生器可產生一PWM信號用於控制該開關以調整該複數LED的亮度；以及一責任週期控制器，該責任週期控制器可以從一檢測器之一第三複數控制信號選定一責任週期並根據該責任週期產生該PWM信號。 2. 如申請專利範圍第1項之設備，其中該PWM產生器包括：一能夠從一外部處理器接收數據並將該數據存儲於一存儲單元的界面單元，該數據包括一第一複數控制信號和一責任週期之第二複數控制信號；以及藉由該檢測器檢測一來至該電源之一電壓並從該存儲單元接收該第一複數控制信號，並產生該第三複數控制信號。 3. 如申請專利範圍第2項之設備，其中該檢測器包括複數比較器，該複數比較器可根據來自該存儲單元的該第一複數控制信號接收一複數參考電壓，並將該複數參考電壓與該電源之該電壓相比較以產生該第三複數控制信號。 4. 如申請專利範圍第2項之設備，其中該PWM產生器可在一外部處理器控制下工作。 -16- 1329879 . __ f?年訶月(r日修正替換頁 5. —種用於鍵盤背光驅動的設備，該設備包括一電源 *還包括· 一具有平衡調光功能的驅動電路，該驅動電路連接至該電源並可產生一PWM信號，該驅動電路包括：一連接至該電源的開關； —連接在該電源和該開關之間的PWM產生器；用於該鍵盤背光照明的一複數發光二極體（LED ) ’

每個LED都有一陽極，該複數LED由來自該驅動電路的該PWM信號控制，其該複數LED之陽極連接至該開關；其中該PWM產生器可產生該PWM信號並控制該開關來調整該複數LED的亮度；以及一責任週期控制器，該責任週期控制器可以從一檢測器之一第三複數控制信號選定一責任週期並根據該責任週期產生該PWM信號。 6. 如申請專利範圍第5項之設備，其中該PWM產生器包括：一界面單元，該界面單元可以從一外部處理器接收數據並將該數據存儲於一存儲單元，該數據包括一第一複數控制信號和一第二複數責任週期之控制信號；以及藉由該檢測器檢測該電源的一電壓，並從該存儲單元接收一第一複數控制信號，以產生該第三複數控制信號。 7. 如申請專利範圍第6項之設備，其中該檢測器包括複數比較器，該複數比較器可根據來自該存儲單元的該第 -17- 1329879 :^換頁 ff年知Γ日修㈨:

一複數控制信號接收一複數參考電壓，並將該複數參考電壓與該電源之該電壓相比較以產生該第三複數控制信號。 8.如申請專利範圍第6項之設備，其中該PWM產生器可在一外部處理器控制下工作。 9. 一種鍵盤背光驅動方法，該鍵盤背光包括一複數 LED，包括以下步驟：從一電源接收一電壓；

根據該電源的該電壓產生一 PWM信號；由一複數控制信號控制中選擇一責任週期；根據該所選責任週期產生該PWM信號·，根據該PWM信號切換（switching)—開關；在該開關之控制下產生一複數電流以驅動該複數LED 10·如申請專利範圍第9項之方法，其中產生該PWM 信號的步驟還包括：

在一檢測器產生一複數參考電壓；在一外部處理器控制下選擇該複數參考電壓；將該所選複數參考電壓與該電源之該電壓比較；根據比較該電源之該電壓與該所選複數參考電壓的產生該複數控制信號；該責任週期大小與該複數LED之乘積非常接近或完全相等。 -18-