液晶顯示器的LED背光驅(qū)動(dòng)控制設(shè)計(jì)方案介紹

相對(duì)傳統(tǒng)的CCFL 液晶顯示器背光源存在色階差、色純度低、需高壓驅(qū)動(dòng)導(dǎo)致功耗大、屏厚度大等缺點(diǎn)而言，LED 背光源以其功耗低、壽命長(zhǎng)、更環(huán)保、屏厚度低等優(yōu)點(diǎn)在民用和軍用顯示產(chǎn)品上得到更多應(yīng)用。尤其是它超強(qiáng)的色彩表現(xiàn)力更是CCFL 背光源遠(yuǎn)不及的， 其色彩飽和度達(dá)到甚至超過(guò)Adobe RGB 和NTSC 色彩標(biāo)準(zhǔn)要求， 可以達(dá)到NTSC ratio100%以上平面光源特性， 而CCFL 背光只能實(shí)現(xiàn)NTSC 色彩區(qū)域的78%。另外，LED 的高刷新頻率使其在視頻方面有更好的性能表現(xiàn)，LED 顯示屏的單個(gè)元素反應(yīng)速度是CCFL 背光液晶屏的1 000 倍，即使是在強(qiáng)光下也可以照看不誤，并且適應(yīng)零下40 ℃的低溫。

隨著LED 背光源越來(lái)越廣泛地應(yīng)用，其驅(qū)動(dòng)電路的良好設(shè)計(jì)也就顯得格外重要。對(duì)于普通的小型液晶顯示器而言，通常只要幾個(gè)LED 燈便可滿足其顯示要求，因此對(duì)驅(qū)動(dòng)電路的要求也較低。對(duì)于中大型液晶顯示器而言，常需要幾十、上百個(gè)的LED 燈，對(duì)電路驅(qū)動(dòng)能力的設(shè)計(jì)要求就更高。筆者介紹的基于LT3599 LED 背光源驅(qū)動(dòng)控制電路， 可以適用于中大型液晶顯示器（同樣也可適用于小型液晶屏背光源的驅(qū)動(dòng)）。此電路經(jīng)測(cè)試和試驗(yàn)驗(yàn)證，能滿足各種常規(guī)中大型液晶顯示器的背光驅(qū)動(dòng)控制電路的要求。

1 LT3599 簡(jiǎn)介

LT3599 是一款真彩色PWM 脈寬調(diào)控的DC/DC 轉(zhuǎn)換器，它的占空比高達(dá)3 000:1， 帶有4 路LED 驅(qū)動(dòng)， 每路可驅(qū)動(dòng)120 mA 電流，且每路的電流大小均可編程控制和獨(dú)立開(kāi)關(guān)。

它能適應(yīng)3.1 V～30 VDC 的寬輸入電壓范圍， 輸出電壓高達(dá)44 VDC，開(kāi)關(guān)頻率范圍為200 kHz～2.1 MHz，同步時(shí)鐘的選擇靈活———即可接外部時(shí)鐘也可用自帶同步時(shí)鐘。

LT3599 帶過(guò)壓、欠壓、過(guò)流、過(guò)熱、抗較大浪涌電流、輸出短路或開(kāi)環(huán)保護(hù)等完善的保護(hù)功能，是一款安全可靠的集成控制芯片。

2 電路的總體設(shè)計(jì)

整個(gè)驅(qū)動(dòng)控制電路的整體構(gòu)成框圖如圖1 所示，由多路電源輸出模塊、LT3599 控制模塊、FPGA 可編程PWM 脈寬控制模塊、LED 燈組模塊組成。LT3599 內(nèi)部是升壓電路， 將輸入的電壓在FPGA 模塊的控制下轉(zhuǎn)換成LED 燈組所需的穩(wěn)定電流和電壓，從而實(shí)現(xiàn)亮度、對(duì)比度調(diào)節(jié)，提供給液晶屏穩(wěn)定均勻的背光源。

圖1 驅(qū)動(dòng)控制電路系統(tǒng)框圖

2.1 多路電源輸出模塊的設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)時(shí)選用了日本COSEL 公司的CBS502424、CBS502403集成電源塊，設(shè)計(jì)成可調(diào)穩(wěn)壓電路。外部電源只有一路（+28VDC）輸入，經(jīng)內(nèi)部的整流、濾波、電壓轉(zhuǎn)換和穩(wěn)壓處理后，轉(zhuǎn)換輸出給FPGA 模塊以及LT3599 控制模塊所需要的+5VDC、+3.3 V 和+24 VDC 等多路電壓。

2.2 LT3599 控制模塊的設(shè)計(jì)

LT3599 有2 種封裝：28 個(gè)管腳的封裝和32 個(gè)管腳的封裝，其中32 個(gè)管腳的封裝是熱控增強(qiáng)型封裝，對(duì)于高亮及中大型液晶屏來(lái)說(shuō)， 選擇32 個(gè)管腳的熱控增強(qiáng)型封裝設(shè)計(jì)電路更穩(wěn)定可靠。其典型控制電路如圖2 所示。

圖2 LT3599 典型應(yīng)用電路

2.2.1 輸出LED 驅(qū)動(dòng)電流大小的設(shè)計(jì)

LT3599 有4 路LED 電流輸出通道， 每路輸出的電流大小在30～120 mA 之間， 具體通過(guò)設(shè)置ISET管腳所接電阻RISET值大小來(lái)控制， 此RISET電阻值范圍在11～44.2 kΩ 之間，RISET值與LED 驅(qū)動(dòng)電流大小的具體計(jì)算方法為：

LT3599 通過(guò)PWM 脈寬調(diào)控來(lái)改變其輸出給的LED 電流值大小，從而改變LED 的亮度，實(shí)現(xiàn)對(duì)液晶顯示器亮度和對(duì)比度的調(diào)節(jié)。PWM 脈寬與LED 電流的關(guān)系曲線圖如圖3所示。

圖3 PWM 脈寬時(shí)序與LED 電流關(guān)系圖

2.2.2 開(kāi)關(guān)頻率的設(shè)計(jì)

LT3599 有很寬的工作開(kāi)關(guān)頻率，在200 kHz～2.1 MHz之間，具體由管腳RT所接電阻值的大小來(lái)決定，RT值與開(kāi)關(guān)頻率大小的關(guān)系圖如圖4 所示。

圖4 開(kāi)關(guān)頻率與管腳RT所接電阻值關(guān)系曲線圖

要想設(shè)計(jì)出最適合的電路開(kāi)關(guān)頻率，需綜合考慮幾個(gè)方面：

1）開(kāi)關(guān)頻率越高則電感值越小，高頻開(kāi)關(guān)損耗也就越?。?/p>

2）對(duì)于低壓驅(qū)動(dòng)多個(gè)LED 燈的情況，需盡量設(shè)置低的開(kāi)關(guān)頻率；

3）設(shè)計(jì)時(shí)需考慮總電壓功率的損耗。

4）LT3599 內(nèi)部的同步時(shí)鐘頻率在240 kHz～1.5 MHz 之間，對(duì)于啟用了LT3599 內(nèi)部SYNC 同步時(shí)鐘頻率的電路，電路的開(kāi)關(guān)頻率設(shè)計(jì)時(shí)需低于LT3599 內(nèi)部同步頻率的20%，否則會(huì)導(dǎo)致電路工作不穩(wěn)定。

2.2.3 輸出LED 所需電壓的設(shè)計(jì)

LT3599 輸出電壓的大小通過(guò)設(shè)置電阻R10、R11的值來(lái)確定，計(jì)算公式為：

為了確保電路長(zhǎng)期使用的可靠性和輸出效率，設(shè)計(jì)時(shí)輸出電壓值一般要高于LED 所需電壓的10%。為了減少輸出紋波， 在LT3599 電壓輸出端需還接一個(gè)4.7～10 μF 的電容。

另外需注意，Vout 管腳處所接肖特基穩(wěn)壓管允許通過(guò)的平均電流需大于LED 驅(qū)動(dòng)電流，此肖特基穩(wěn)壓管的最大反向電壓還需大于LT3599 輸出電壓Vout。

2.2.4 保護(hù)電路的設(shè)計(jì)

1）過(guò)壓保護(hù)的設(shè)計(jì)：通過(guò)FB 管腳設(shè)計(jì)電壓反饋環(huán)路從而實(shí)現(xiàn)過(guò)壓保護(hù)功能。FB 腳參考電壓為1.233 V， 具體的保護(hù)電路設(shè)計(jì)如圖5 所示。

圖5 用FB 管腳設(shè)計(jì)過(guò)壓保護(hù)電路

2）熱保護(hù)電路的設(shè)計(jì)：用VREF、TSET管腳設(shè)計(jì)熱保護(hù)電路。

預(yù)先設(shè)定一個(gè)LT3599 內(nèi)部極限保護(hù)溫度，當(dāng)LT3599 芯片溫度超過(guò)這個(gè)值時(shí)LT3599 輸出給LED 燈的電流就自動(dòng)降低，從而使芯片的溫度慢慢降低。LT3599 內(nèi)部設(shè)定給VREF的參考電壓時(shí)1.227 V，VREF最大輸出100 μA 電流。具體的電路設(shè)計(jì)如圖6 所示，LT3599 內(nèi)部最大控制節(jié)點(diǎn)的溫度值與電阻R1、R2的選擇對(duì)應(yīng)關(guān)系如表1 所示。

圖6 用TSET管腳設(shè)計(jì)溫度保護(hù)電路

表1 LT3599芯片內(nèi)部最大節(jié)點(diǎn)控制溫度與電阻R1、R2的對(duì)應(yīng)關(guān)系

3）欠壓保護(hù)電路的設(shè)計(jì)：通過(guò)管腳設(shè)計(jì)欠壓保護(hù)電路。為了避免電路在超低電壓下工作導(dǎo)致出現(xiàn)不穩(wěn)定狀況，當(dāng)此管腳電壓低于1.4 V 時(shí)LT3599 會(huì)自鎖。LT3599的關(guān)斷電壓和接通電壓可分別通過(guò)式（3）和式（4）計(jì)算而得：

當(dāng)管腳電壓低于1.4 V 或者VIN管腳電壓低于2.7 V 時(shí)，欠壓保護(hù)就會(huì)關(guān)閉整個(gè)LT3599 電路，避免電路工作在不穩(wěn)定狀態(tài)。具體的電路設(shè)計(jì)如圖7 所示。

圖7 欠壓自鎖控制電路

4）FPGA 模塊通過(guò)SS 管腳設(shè)計(jì)軟啟動(dòng)開(kāi)關(guān)鎖，避免當(dāng)電路由關(guān)斷或自鎖狀態(tài)恢復(fù)正常工作時(shí)，受到較大的瞬時(shí)浪涌電流或過(guò)沖電壓的影響。采用軟啟動(dòng)來(lái)恢復(fù)工作時(shí)，電路的開(kāi)關(guān)頻率會(huì)自動(dòng)降低，以保護(hù)電路免受大電流損壞。當(dāng)VIN《2.7 V 或《1.4 V 時(shí)，LT3599 電路會(huì)立即自動(dòng)全部關(guān)斷，并通過(guò)SS 管腳設(shè)置了軟啟動(dòng)鎖， 防止電路誤啟動(dòng)。只有當(dāng)“VIN》2.7 V、》1.4 V、PWM》1 V、SS《0.25 V” 這4個(gè)條件同時(shí)具備后，由SS 管腳設(shè)置的軟啟動(dòng)鎖才會(huì)解開(kāi)，此時(shí)內(nèi)部輸出11 μA 的電流來(lái)控制恢復(fù)過(guò)程中的電流和電壓上升速率。上升速率的快慢與SS 管腳所接電容Css 容量大小有關(guān)，具體可由式（5）計(jì)算可知，其中Iss 典型值為11 μA。

通過(guò)SS 管腳設(shè)置軟啟動(dòng)開(kāi)關(guān)鎖的控制時(shí)序圖如圖8 所示。

圖8 軟開(kāi)關(guān)控制啟動(dòng)時(shí)序圖

2.3 FPGA 可編程控制模塊的設(shè)計(jì)

FPGA 采用的是高速串行接口通訊， 和傳統(tǒng)的并行接口相比，串行通訊能提供更大的帶寬、更遠(yuǎn)的距離、更低的成本和更高的擴(kuò)展能力。

在設(shè)計(jì)FPGA對(duì)LT3599 的控制功能時(shí)，充分利用其內(nèi)部可進(jìn)行靈活設(shè)計(jì)的特性。首先檢測(cè)視屏驅(qū)動(dòng)板輸出給顯示屏的視頻信號(hào)，識(shí)別出非標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，必要時(shí)FPGA 內(nèi)部產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)視屏信號(hào)，然后對(duì)行場(chǎng)同步信號(hào)進(jìn)行數(shù)字濾波、時(shí)鐘鎖相，解決因長(zhǎng)距離傳輸導(dǎo)致信號(hào)出現(xiàn)衰減失真以及電磁干擾等現(xiàn)象，再將RGB 信號(hào)按照預(yù)定的曲線進(jìn)行Gamma 和對(duì)比度調(diào)節(jié)。

在進(jìn)行視屏信號(hào)檢測(cè)時(shí)， 用板卡上的系統(tǒng)時(shí)鐘對(duì)輸入HS、VS 等信號(hào)的上升沿或下降沿進(jìn)行計(jì)數(shù)，如果在設(shè)定時(shí)間內(nèi)檢測(cè)到邊沿次數(shù)大于某一個(gè)限值則表示有信號(hào)輸入，否則為無(wú)信號(hào)輸入。這種方法輸入信號(hào)的格式范圍寬、可實(shí)現(xiàn)性強(qiáng)。

在進(jìn)行Gamma、對(duì)比度調(diào)節(jié)時(shí)，F(xiàn)PGA 采用的是通過(guò)PC機(jī)查表方式，即對(duì)每一個(gè)輸入給出一個(gè)確切的輸出值，此值預(yù)先根據(jù)一定的算法計(jì)算好、使用C 語(yǔ)言程序編程設(shè)定，然后將相關(guān)數(shù)據(jù)加到FPGA 工程代碼中。通過(guò)預(yù)先設(shè)定好的通信方式， 在需要進(jìn)行調(diào)整時(shí)， 將要調(diào)整到的信息發(fā)送給FPGA，F(xiàn)PGA 根據(jù)設(shè)定好的等級(jí)選擇輸出不同的值， 以完成相應(yīng)的調(diào)整功能。

數(shù)字濾波采用的是對(duì)FPGA 內(nèi)部的電平調(diào)節(jié)的方式，因?yàn)镠S、VS 等信號(hào)上出現(xiàn)的不正常電磁干擾信號(hào)一般脈寬很窄，而HS、VS、DE 的脈寬較寬，因此，只要能夠消除非正常脈沖，就可以保證畫(huà)面穩(wěn)定正常顯示。關(guān)于數(shù)字濾波解決EMC電磁干擾的時(shí)序圖如圖9 所示。

圖9 數(shù)字濾波時(shí)序圖

2.4 LED 燈組

由于LED 的亮度是由通過(guò)其內(nèi)部的電流決定的，因此進(jìn)行LED 燈布局時(shí)， 一方面要考慮到整個(gè)液晶屏的亮度均勻性，另一方面要減小電路微小電壓波動(dòng)給LED 燈亮度帶來(lái)的影響。對(duì)于普通中小尺寸的液晶屏，由于背光源大都用的是側(cè)光式，LED 燈組可采用串聯(lián)和并聯(lián)相結(jié)合的方式。對(duì)于大尺寸液晶屏來(lái)說(shuō)背光源一般采用直下式，為了提高亮度均勻性、減輕顯示器重量，LED 燈組還可采用正三角陣列布局，能更好地實(shí)現(xiàn)對(duì)LED 燈的保護(hù)且提高亮度的均勻性。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文所介紹的LED 背光驅(qū)動(dòng)電路， 其電路效率可達(dá)90%以上。該電路設(shè)計(jì)上各相關(guān)參數(shù)都可以精確計(jì)算和控制，電路的保護(hù)措施齊全、控制效果好、抗干擾能力強(qiáng)，并且可以根據(jù)所需背光亮度和屏的大小靈活組合使用。經(jīng)試驗(yàn)以及使用測(cè)試驗(yàn)證，是一款較理想的驅(qū)動(dòng)控制電路。