环境光传感器背光控制的原理解析

引言

环境光传感器（ALS）集成电路正越来越多地用于各种显示器和照明设备，以节省电能，改善用户体验。借助ALS解决方案，系统设计师可根据环境光强度，自动调节显示屏的亮度。因为背光照明的耗电量在系统的总耗电量中占据很大的比例，实行动态的背光亮度控制，可节省大量的电能。此外，它还能够改善用户体验，让显示屏亮度根据环境光条件自行调整到最佳状态。

系统实现需要三大部分：监测环境光强的光传感器、数据处理装置（通常是微控制器）、控制背光输入电流的执行器。

背光控制：环境光传感器

图1是实施背光控制的系统示范框图。在这套组合中，光传感器是关键的组成部分，因为它要向系统的其他模块提供环境光强信息。光传感器必须具备将光信号转换成电信号的信号转换器（譬如光电二极管或CdS光敏电阻）和信号放大和/或调节装置以及模/数转换器（ADC）。

图1. 实施背光控制的系统框图

图2所示为分立光电二极管电路，从图中可以看出，该电路需要一个或多个运算放大器：一个用于电流到电压的转换，可能还需要一级放大，提供附加增益。它还包括一些分支电路，用于供电，确保高度可靠的信号链。而在空间极其宝贵的应用中，所需元件的数量过多可能导致空间受限问题。

图2. 光电二极管电路分立设计

这里还存在一个更细微的问题。具体而言，理想情况下，应确保环境光的测量模拟了人眼对光线的响应机制。这通常借助CIE提供的视觉亮度曲线（图3）。然而，光电二极管很少能够完全模拟这种响应机制，因为它们通常具有很高的红外（IR）灵敏度。在IR强度较大的光照条件（譬如白炽灯或日光）下，这种红外灵敏度会造成错误地判断光线强度。

解决上述问题的方法之一是使用两个光电二极管：一个采用对可见光和红外光都很敏感的元件，另一个采用只对红外光敏感的元件。最终用前者的响应值减去后者的响应值，将红外干扰降至最小，获得准确的可见光响应。

这种解决方案虽然有效，却增加了分立电路的占用空间。通常还很难、甚至不可能让两个分立的光电二极管配合得足够紧密，以实现消除红外干扰的目的。如果不配备精密放大器（譬如对数放大器），动态范围可能很小。换句话说，很难利用这种组合获得可重复的结果。

图3. CIE曲线和典型的光电二极管

高集成度解决方案不仅能够获得比人眼光学系统更真实的光强数据，还能够节省大量空间MAX44009等环境光传感器，可将所有信号调节和模/数转换器集成在一个小封装（2mm x 2mm UTDFN封装）内，从而在空间受限应用中有效节省电路板面积。

图4提供了MAX44009的功能框图，采用I²C通信协议，使其与微控制器的连接方式更简单，数据传输速度更快。除此之外，该解决方案的高集成特性使其能够置于柔性电缆，安装在离主电路板距离合适的位置。

图4. MAX44009功能框图

背光控制：调节显示屏亮度

该控制方案的第二部分是调节显示屏的背光亮度。这可通过多种方式实现，具体取决于设备中的显示屏模块。有两种最简单的方式，一种是借助脉冲宽度调制（PWM）方案的直接调节方式，另一种是采用显示屏控制器的间接调节方式。

许多显示屏模块如今都配有一个集成控制器，用户可以通过向控制器发送串行命令，直接设置背光亮度。如果显示屏模块未配备集成控制器，还可安装一个简单的背光控制执行器，控制显示屏后面用于背光照明的白光LED灯的输入电流。实现这种控制的一种简单办法是：直接给LED串联一个场效应晶体管（FET），使用PWM信号快速打开、关闭FET （图5）。然而，也可以利用单一芯片（用于LED控制的MAX1698升压转换器）准确、可靠地调节（图6），请参考应用笔记3866“Low-power PWM output controls LED brightness”，获取详细信息。

图5. 简单的PMW控制电路

图6. 基于MAX1698的LED亮度调节器

背光控制：建立连接

最后一步就是在传感器和执行器之间建立连接，通过微控制器实现。有人可能首先要问：“环境光强如何映射到背光亮度？”事实上，有些文献专门介绍了相关方案。其中一种映射方式是，Microsoft®针对运行Windows® 7¹操作系统的计算机提出的。图7所示曲线是由Microsoft提供的，它可以将环境光强度映射到显示屏亮度（以全部亮度的百分比表示）。

图7. 将环境光强映射为最佳显示屏亮度的曲线示例

这种特殊曲线可以用以下函数表示：

如果设备采用的是已集成亮度控制功能的LCD控制芯片，就可通过向芯片发送指令，轻松设置背光亮度。如果设备采用的是PWM直接控制亮度，则要考虑如何将比例信号映射至显示屏亮度。

在MAX1698示例中，根据其产品说明书的介绍，可以将驱动电流映射为电压。通过这个示例，我们可以假设LED电流强度几乎与其电流呈线性关系。这样，我们就可以在上述等式中乘上一个系数，计算出PWM所映射的有效电压，该电压再被映射至LED电流，最后转化成显示屏亮度。

方案实施

最好不要从一个亮度级直接跳转到另一个亮度级，而是平滑上调和下调背光亮度，确保不同亮度等级之间无缝过渡。为了达到这一目的，最好采用带有固定或不同亮度步长、可逐步调节亮度的定时中断，也可采用带有可控制LED输入电流的PWM值的定时中断，或者是能够发送到显示屏控制器的串行指令的定时中断。图8提供了这种算法的一个示例。

图8. 步进式亮度调节的算法示例

另一个问题是，系统响应环境光强变化的速度。我们应尽量避免过快地改变亮度等级。这是因为光强的瞬间变化（譬如一扇窗户打开或瞬间有一束光扫过）可能导致背光亮度发生不必要的变化，这往往会造成用户感觉不适。并且，较长的响应时间还有助于减少微控制器对光传感器的检测次数，从而可以释放一定的微控制器资源。

最初级的方法就是每隔一两秒钟检查一次光传感器，然后相应地调整背光亮度。更好的方法是，只有光线强度偏离特定范围一定时间后，才对背光亮度进行调节。譬如，如果正常光强是200lux，我们可能只会在光强降到180lux以下或升至220lux以上，而且持续时间超过数秒的情况下才调节亮度。幸运的是，MAX44009集成了中断引脚和阈值寄存器，可轻松实现这个目的。