ST7789背光控制电路原理及典型应用解析

ST7789 背光控制：别再让“黑屏但耗电”坑了你的低功耗设计！

你有没有遇到过这种情况？
系统进入睡眠模式，LCD 屏幕看起来是黑的，可电流表上的读数却迟迟下不来——明明关了显示，为啥还这么费电？

如果你正在用ST7789 驱动的小尺寸 TFT 屏，那问题很可能出在——背光没关！

没错，很多人以为调用一个DISPOFF指令就万事大吉，殊不知这只能关闭像素驱动，而背后那串白光 LED 依然亮着，悄无声息地吞噬电量。尤其在电池供电的穿戴设备、手持终端里，这种“假关机”简直是续航杀手。

今天我们就来深挖一下：ST7789 显示屏的背光到底该怎么控？怎么做到既省电又护眼，还能平滑调光？

一、先搞清楚：ST7789 到底管不管背光？

答案很明确：不管。

虽然 ST7789 是一块功能强大的 LCD 驱动芯片（支持 SPI 接口、240x320 分辨率、内置 DC/DC 升压），但它只负责一件事——把数据写进显存、刷新液晶电极电压，让每个像素正确显示颜色。

至于照亮整个屏幕的背光源？完全不在它的职责范围内。

你可以把它想象成一个电影院里的放映机：它能决定画面内容，但不能控制大厅顶上的照明灯。如果电影结束了你不关灯，电费照样哗哗流。

常见误解澄清：

你以为	实际情况
`DISPOFF`= 整个屏幕断电	只关闭像素驱动，背光仍可常亮
发黑屏 = 低功耗状态	若背光未关，功耗可能仍是运行时的 60%~80%
所有引脚都接好了就能工作	BLK/LED+/BACKLIGHT 引脚必须单独处理

所以，真正实现节能，必须做到两个动作：
1. 软件发送DISPOFF关闭 LCD 驱动；
2. 硬件切断或调暗背光电源。

否则就是“黑屏但耗电”，典型的资源浪费。

二、背光怎么驱动？三种方案对比

既然 ST7789 不管背光，那就得我们自己动手设计驱动电路。常见的方法有三种：电阻限流、线性恒流、PWM 开关控制。

1. 最简单：电阻限流法

最原始也最便宜的方式，就是在 VCC 和 LED 之间串个电阻：

$$
R = \frac{V_{CC} - V_f}{I_f}
$$

比如使用 5V 供电，LED 正向压降 3.3V，目标电流 20mA，则：

$$
R = \frac{5 - 3.3}{0.02} = 85\Omega \quad → \text{取标准值 } 82\Omega \text{ 或 } 100\Omega
$$

✅ 优点：成本极低，元件少
❌ 缺点：无法调光、亮度随电压波动、效率低、发热高

📌适用场景：固定亮度、非便携式产品、对功耗无要求的工业面板。

⚠️ 注意：不要并联多个 LED 共用一个电阻！由于个体差异，会导致亮度不均甚至烧毁某一颗。

2. 中高端选择：线性恒流驱动 IC

像 CAT4101、TPS7A4700 这类专用 LED 驱动芯片，可以输出精确的恒定电流，不受输入电压变化影响。

例如 CAT4101 支持最大 350mA 输出，通过外部电阻设定电流值：

$$
I_{LED} = \frac{1.26V}{R_{SET}}
$$

✅ 优点：响应快、噪声低、亮度稳定
❌ 缺点：压差大会严重发热，不适合电池供电系统

📌适用场景：中功率背光、对 EMI 敏感的应用（如医疗设备）

3. 主流推荐：PWM + MOSFET 开关驱动

这才是目前嵌入式系统的首选方案。

核心思路：用 MCU 的 PWM 信号控制一个 N 沟道 MOSFET，快速开关背光电流，通过调节占空比改变平均亮度。

典型电路拓扑如下：

+3.3V/VBAT │ ├───┐ │ [LED+] (Backlight Anode) │ └─── GND (LCD Module Side) │ Gate ←─┬── PWM Signal (from MCU) │ N-MOSFET (e.g., AO3400, 2N7002) │ GND (System GND)

当 PWM 输出高电平时，MOSFET 导通，LED 通电发光；
输出低电平则截止，LED 熄灭；
人眼因视觉暂留效应，感知为连续亮度。

为什么选这个方案？

维度	表现
✅ 效率	高（MOSFET 导通损耗小）
✅ 调光精度	可达 8~10 位分辨率（256~1024 级）
✅ 色温稳定性	电流不变，色温一致
✅ 成本	仅需一颗 MOSFET + 几个被动器件
✅ 控制灵活性	可编程渐变、呼吸灯、自动亮度等

📌特别适合：ESP32、STM32、nRF52 等带硬件 PWM 的 MCU 平台。

三、PWM 调光的关键参数设置

别以为随便给个 PWM 就行，调不好反而会引发频闪、闪烁、低亮度失效等问题。

1. 调光频率：至少 ≥1kHz

低于 80Hz：肉眼明显察觉闪烁，长时间观看易疲劳；
100~500Hz：部分人仍可能感知到“光影拖尾”；
推荐值：≥5kHz，理想范围 5kHz~20kHz；
上限建议 ≤50kHz：避免 MOSFET 开关损耗过大。

💡 小技巧：STM32 定时器预分频后设 Period=199，Prescaler=83（基于 84MHz 时钟），即可得到 5kHz PWM。

2. 分辨率决定细腻度

假设 PWM 周期为 200 ticks，则最多支持 200 级亮度调节。

若想实现 256 级（8 位），周期至少要 ≥255；10 位则需 ≥1023。

// 示例：将 0~255 的亮度等级映射到 PWM 比较寄存器 void Set_Backlight_Brightness(uint8_t level) { uint32_t pulse = (level * 199) / 255; // 映射到当前周期 __HAL_TIM_SET_COMPARE(&htim3, TIM_CHANNEL_1, pulse); }

📌 提示：若定时器分辨率不足，可用软件插值或查表法补偿非线性段。

3. MOSFET 选型要点

Vgs(th) < 3.3V：确保 3.3V 逻辑电平能完全导通；
低栅极电荷 Qg：提升开关速度，减少过渡损耗；
导通电阻 Rds(on)：越小越好，降低发热；
推荐型号：AO3400、2N7002、SI2302。

四、软硬协同：如何优雅地管理背光？

光有电路还不够，固件层面的设计同样关键。

典型控制流程

// 启动阶段 lcd_init(); // 初始化 ST7789 backlight_init(); // 初始化 PWM set_backlight(30); // 设置初始亮度 30% lcd_display_on(); // 发送 DISPON // 用户调节亮度 set_backlight(user_level); // 动态更新 PWM 占空比 // 进入休眠前 set_backlight(0); // 先关背光！ delay_ms(10); // 等待熄灭 lcd_display_off(); // 再发 DISPOFF enter_sleep_mode();

⚠️顺序很重要：必须先关背光，再停 LCD 驱动。反过来可能导致瞬间反灌或残影。

高级功能扩展建议

功能	实现方式
自动亮度（ALS）	结合光照传感器（BH1750/TSL2561）动态调整
渐亮/渐灭动画	PWM 值步进变化，加 delay 控制节奏
呼吸灯效果	使用 sin 波查表生成周期性亮度曲线
低亮度优化	添加 gamma 校正表，改善感知线性度

例如 gamma 补偿代码片段：

static const uint8_t gamma_table[256] = { 0, 1, 2, 3, ..., // 查表值经过拟合，低区拉伸 }; void set_backlight_gamma(uint8_t level) { __HAL_TIM_SET_COMPARE(&htim3, TIM_CHANNEL_1, gamma_table[level]); }