遙控器顯示屏背光控制方案的設(shè)計與應(yīng)用

張 誼

（廣東美的制冷設(shè)備有限公司 佛山 528311）

引言

遙控器已經(jīng)作為較多家電操控必不可少的部分，遙控器的使用體驗(yàn)也在日益提升，遙控器顯示屏增加背光源會極大改善在夜間使用遙控器的體驗(yàn)，所以絕大部分遙控器都會帶有背光，在進(jìn)行操作時背光源點(diǎn)亮，方便使用者能清楚的看到所控制的內(nèi)容，避免誤操作。目前市場上的遙控器背光源LED 的顏色有多種，但是在后續(xù)的遙控器顯示屏背光源的選取上逐漸趨向白色，因?yàn)榘咨獿ED 的背光亮度大、效率高，會使顯示屏顯示的更加清晰，同時也會使產(chǎn)品顯得更加高端。但是白色LED 的驅(qū)動電壓較較高，對于用干電池供電的遙控器，需要將電池電壓進(jìn)行升壓之后才能驅(qū)動白色LED。

本文首先簡要介紹LED 發(fā)出不同顏色光的原理，從而引出不同顏色的LED 的導(dǎo)通電壓的差異，然后闡述目前遙控器顯示屏的白色背光LED 常用的驅(qū)動方案，最后引出本次設(shè)計的一種較低成本的驅(qū)動遙控器顯示屏的背光源LED 的方案。本方案的硬件基于Boost 升壓電路，同時對電池電壓進(jìn)行檢測，通過軟件進(jìn)行識別和判斷，結(jié)合相應(yīng)的控制策略進(jìn)行實(shí)時的調(diào)節(jié)，從而實(shí)現(xiàn)對直流電壓進(jìn)行升壓變換，使變換后的直流電壓達(dá)到滿足遙控器背光源點(diǎn)亮的電壓值，且在電池電壓發(fā)生波動的情況下輸出的電壓也保持穩(wěn)定。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、成本較低、可靠性高，在實(shí)際應(yīng)用中能良好的驅(qū)動遙控器背光源的LED 點(diǎn)亮，具有很高的應(yīng)用和推廣價值。

1 不同顏色LED 的導(dǎo)通電壓差異

LED 的燈珠是一個經(jīng)過封裝后的發(fā)光晶片，發(fā)光晶片本質(zhì)是一個PN 二級管，分為三層最上層叫做P 型半導(dǎo)體層、中間層為發(fā)光層PN 結(jié)部分、最下層叫做N 型半導(dǎo)體層，通電后，在電場作用下，電子與空穴在發(fā)光層碰撞復(fù)合，多余的能量以光的形式釋放[1]。如果需要不同的顏色的光，則需要在其PN 結(jié)中摻入不同的元素，砷化鎵二極管發(fā)紅光，磷化鎵二極管發(fā)綠光，碳化硅二極管發(fā)黃光，氮化鎵二極管發(fā)藍(lán)光，但是，到目前為止還沒有任何一種半導(dǎo)體材料能發(fā)出白色的光，要獲得白色的光源，目前第一種是利用“藍(lán)光技術(shù)”與熒光粉配合形成白光，通過藍(lán)光與熒光粉激發(fā)出的黃光混合產(chǎn)生白光，第二種是多種單色光混合方法[2]。也正是由于要向PN 結(jié)中摻雜不同元素的原因，使得其PN 結(jié)的開啟電壓發(fā)生了變化。一般小功率LED 中，紅、黃、橙、黃綠的正向?qū)妷菏牵?.8 ～2.4）V，綠、藍(lán)的正向?qū)妷菏牵?.0 ～3.6）V，而白色的正向?qū)妷阂话氵_(dá)到（3.1 ～4.0）V，而且正向?qū)妷翰⒉皇墙^對穩(wěn)定的，即便是同一批同一顏色的LED 之間，有時候正向?qū)妷阂矔钸_(dá)到1 V，并且隨著外界溫度的升高正向?qū)妷阂矔M(jìn)一步下降[3-5]。

大部分家電使用的遙控器均采用電池供電，供電電壓一般為3 V，所以無法直接驅(qū)動白色的LED 點(diǎn)亮，而且在電池使用一段時間之后，電壓發(fā)生降低，所以需要將電池電壓升壓之后再去驅(qū)動背光源的LED，同時需要在電池電壓降低之后能使驅(qū)動背光源的電壓保持穩(wěn)定。

2 常用的驅(qū)動遙控器顯示屏背光LED 方案

通常用在遙控器中的方案是采用專門的電源芯片同時搭配外圍電路實(shí)現(xiàn)一個升壓系統(tǒng)，將電池電壓升壓之后來驅(qū)動背光源。具體的電路分三個部分，第一部分是三極管控制升壓電路輸入，第二部分是電源芯片以及外圍電路，第三部分為背光源LED 電路。首先通過控制電源芯片的輸入，來控制整個電路是否處于工作狀態(tài)，即在用戶有按鍵操作時，通過MCU 的端口控制三極管飽和導(dǎo)通，從而控制電池的電壓輸入到電源芯片，然后電路開始工作，輸出目標(biāo)電壓，驅(qū)動背光源的LED 點(diǎn)亮。

此種方案的采用純硬件電路實(shí)現(xiàn)，而且由于電源芯片允許的輸入電壓范圍較寬，所以在輸入電壓產(chǎn)生波動的情況下，能確保輸出電壓穩(wěn)定，但是此方案電路復(fù)雜，而且電源芯片的成本較高，特別是在消費(fèi)電器領(lǐng)域，年產(chǎn)數(shù)量較大的情況下產(chǎn)品的總成本提高。

3 本方案硬件電路設(shè)計

整體硬件電路包括三個部分，如圖2 所示，第一部分為MCU 控制部分，主要實(shí)現(xiàn)對升壓電路的PWM 輸出以及對電池電壓的檢測；第二部分為升壓電路，主要由電阻R1、三極管Q1、儲能電感L1、續(xù)流二極管D1、濾波電容C2 組成；第三部分為背光LED 驅(qū)動電路，主要由電阻R2、R3、三極管Q2 組成。

圖1 采用專門的電源芯片的升壓方案

圖2 LED 驅(qū)動控制電路

1）電路的基本工作原理：

在遙控器沒有被操作的情況下，MCU 的PWM 輸出口輸出低電平，此時升壓電路中的三極管Q1 關(guān)斷，電路處于穩(wěn)定狀態(tài)時，電容C2 兩端電壓VBOOST等于輸入電壓（電池電壓），而同時LED 驅(qū)動電路中的三極管Q2也關(guān)斷，所以LED 驅(qū)動部分處于開路狀態(tài)，LED 不點(diǎn)亮。

在遙控器有操作的情況下，MCU 的輸出口輸出脈寬可調(diào)的信號驅(qū)動三極管Q1，在MCU 輸出PWM 信號控制下，高速的導(dǎo)通和關(guān)斷。在三極管Q1 導(dǎo)通時，電流經(jīng)過電感L1 和Q1 形成回路，由于電源是直流電，所以電感上的電流以一定的比率線性增加，隨著電感電流增加，電感L1 里儲存了一定的能量，此時二極管D1 反向關(guān)斷阻止電容C2 對地放電，負(fù)載由電容C2 在上一個周期Q1 關(guān)斷時儲存的電能來供電；三極管Q1 關(guān)斷時，由于電感的電流保持特性，流經(jīng)電感的電流不會馬上變?yōu)?，而是緩慢的由充電完畢時的值變?yōu)?。而原來的充電電路已斷開，于是電感只能通過二極管D1 放電，此時電感L1 電壓疊加在電源上共同向電容C2 充電并向負(fù)載提供能量，電容兩端電壓升高，且高于輸入電壓，完成升壓。

三極管Q1 導(dǎo)通，電感存儲的能量為：

式中：

VBAT—遙控器電池電壓；

Ton—Q1 導(dǎo)通時間。

當(dāng)三極管Q1 關(guān)斷，電感釋放儲能為：

式中：

VBOOST—輸出電壓；

Toff—Q1 關(guān)斷時間。

電感存儲的能量等于釋放的能量，則

式中：

T—PWM 信號周期；

Duty—占空比（高電平與周期的比值），

則得出電池電壓與輸出電壓關(guān)系為：

由此可見，當(dāng)存在一定的占空比時，輸出電壓大于電源電壓，并且當(dāng)輸入電壓波動或者輸出負(fù)載阻抗發(fā)生變化時，通過控制不同的占空比，則可以控制電路的輸出電壓值。

2）背光驅(qū)動原理

電池電壓經(jīng)過升壓之后輸出電壓VBOOST施加在背光LED 和限流電阻R3 兩端，當(dāng)MCU 的PWM 控制口信號輸出為高電平時，Q2 三極管飽和導(dǎo)通，背光LED 點(diǎn)亮。其中，電阻R3 限制LED 的電流，防止電流過大損壞LED。

4 電池電壓的分級方案

遙控器的負(fù)載相對穩(wěn)定，所以遙控器的電池電量跟其提供給負(fù)載的有效電壓密切相關(guān)，因此可根據(jù)電池電壓來粗略估計電池電量。電池電量等級越高，表示電量越高，反之電量越低。本方案將電池電量分為0 ～ 5 級，共6 個等級，為了防止等級的驟變，每個等級之間設(shè)置一定電壓值的回差，具體如圖3 所示。一般情況，電池電量等級為0 時，電池剩余電量將不足或不能確保遙控器正常工作（不能發(fā)碼、背光暗淡等）。因此，電池電量等級為0 時，會在遙控器顯示屏上提示更換，而且此時遙控器將停止其他工作。

圖3 電池電量等級的劃分

新電池首次安裝使用時電池電壓處于3.0 V 以上，此時處于等級5，在后續(xù)的使用過程中隨著電池電量的消耗，電壓逐漸降低。當(dāng)電壓降低到低于2.8 V 時，電池電量降低到等級4，當(dāng)電壓降低到低于2.6 V 時，電池電量降低到等級3，當(dāng)電壓降低到低于2.4 V 時，電池電量降低到等級2，當(dāng)電壓降低到低于2.2 V 時，電池電量降低到等級1，當(dāng)電壓降低到低于2.0 V 時，電池電量降低到等級0。另外，在實(shí)際使用中，當(dāng)背光LED 點(diǎn)亮且發(fā)射遙控碼時，工作電流最大，電壓會出現(xiàn)急劇降低，因而電量會從高等級降低到低等級，然后在紅外碼發(fā)射完成后，工作電流減小，電池電壓又會緩慢上升，電量又恢復(fù)到高等級。

當(dāng)遙控器在被操作時，如果電池電壓無波動，則保持輸出的PWM 占空比不變；當(dāng)電池電壓降低或者在發(fā)射遙控碼時產(chǎn)生波動，此時MCU 通過檢測到的電池電壓處于不同的水平得出電量等級，根據(jù)預(yù)設(shè)的算法計算出所要輸出的占空比來控制升壓電路。設(shè)置PWM 的頻率為200 kHz（周期5 us），根據(jù)不同的電量等級，設(shè)計不同的導(dǎo)通時間，具體如表1 所示。

表1 不同電壓等級對應(yīng)三極管導(dǎo)通時間

5 軟件設(shè)計流程

軟件部分主要包括兩部分：電壓檢測與電量等級判定、控制升壓電路的PWM 輸出。具體過程如下：

1）外設(shè)初始化配置

對MUC 的支持ADC 采樣的端口配置為模擬電壓采樣口。配置定時器以及定時器PWM 輸出，兩個定時器分別作為開通時間的計時和PWM 周期的計時。

2）電壓檢測設(shè)計

在裝上電池瞬間或24 h 無按鍵按下時檢測電壓，在有按鍵按下后的每次發(fā)射遙控碼時檢測一次電壓，采樣的電壓需要進(jìn)行算術(shù)平均值的濾波計算，然后根據(jù)不同的電壓值得出不同的電量等級。初次上電默認(rèn)等級3，然后再根據(jù)實(shí)際的電池電壓判定電量等級。

3）PWM 輸出控制

在遙控器有操作時需要點(diǎn)亮背光，根據(jù)電量等級，調(diào)用預(yù)設(shè)的導(dǎo)通時間，賦值給定時器作為初值，定時器按照設(shè)置的頻率和占空比輸出PWM 波形。

6 測試驗(yàn)證

按照電壓的下降曲線，分別選取3.1 V、2.4 V、2.0 V電壓進(jìn)行測試，結(jié)果如下：

圖4 3.1 V 的電池電壓測試結(jié)果

圖5 2.4 V 的電池電壓測試結(jié)果

圖6 2.0 V 的電池電壓測試結(jié)果

1）選取電壓為3.1 V 的電池，在觸發(fā)遙控器發(fā)射紅外碼之后，MCU 控制端口輸出PWM 的周期為5 us，其中高電平為0.625 us，輸出電壓為5.70 V；

2）選取電壓為2.4 V 的電池，在觸發(fā)遙控器發(fā)射紅外碼之后，MCU 控制端口輸出PWM 的周期為5 us，其中高電平為1.0 us，輸出電壓為4.90 V；

3）選取電壓為2.0 V 的電池，在觸發(fā)遙控器發(fā)射紅外碼之后，MCU 控制端口輸出PWM 的周期為5 us，其中高電平為1.5 us，輸出電壓為4.55 V；

7 結(jié)論

本文設(shè)計了一種用于遙控器顯示屏白色LED 背光源的驅(qū)動方案，硬件基于Boost 升壓電路，軟件通過檢測電池電壓對電池當(dāng)前的電量劃分為6 個等級，根據(jù)不同的電量等級，控制輸出周期固定，占空比可變的PWM控制信號，從測試結(jié)果可知，方案實(shí)現(xiàn)在電池電壓變化時能動態(tài)調(diào)節(jié)電路的輸出，確保升壓變換后的電壓能夠滿足驅(qū)動白色LED 的背光源在規(guī)定的時間內(nèi)穩(wěn)定的點(diǎn)亮。系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)簡單、成本較低、可靠性高，軟件方案可行有效，目前已應(yīng)用于家用空調(diào)的遙控器，而且方案具有很高的應(yīng)用和推廣到其他遙控器上的價值。