怎么為MFF顯示器選擇最合適的LED背光驅(qū)動(dòng)器

在高達(dá)19英寸的媒體外觀(MFF)顯示器中，白光LED正在迅速取代冷陰極燈管(CCFL)成為L(zhǎng)CD背光(邊緣或側(cè)面)照明的首選。這些顯示器的背光可能需要多達(dá)100個(gè)LED。為了在不犧牲顯示器亮度質(zhì)量的情況下延長(zhǎng)電池使用壽命，確定最佳的LED并聯(lián)和串聯(lián)連接以及亮度調(diào)節(jié)方法具有一定的挑戰(zhàn)性。本文將指導(dǎo)您如何針對(duì)MFF顯示器挑選最合適的白光LED驅(qū)動(dòng)器，從而以最低的總成本實(shí)現(xiàn)高效率(長(zhǎng)電池使用壽命)和最佳亮度。

為什么WLED將取代MFF顯示器中的CCFL？

淘汰CCFL始于歐盟的RoHS計(jì)劃，該計(jì)劃旨在禁止消費(fèi)類電子產(chǎn)品使用多種有害物質(zhì)，其中就包括日光燈管的主要成份水銀。不過(guò)，相比CCFL，WLED還擁有下列優(yōu)勢(shì)，包括：固態(tài)器件；定向光源；超低電壓工作；亮度調(diào)節(jié)范圍更大、更容易；亮度調(diào)節(jié)更線性。

WLED定向照明使得顯示器可以使用更小的擴(kuò)散板和導(dǎo)光板，從而制造出更輕薄的平板顯示器和筆記本電腦。

選擇WLED驅(qū)動(dòng)器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

WLED的亮度會(huì)隨著通過(guò)的電流呈線性變化。為了使各WLED串獲得最佳的WLED電流精度以及一致的WLED亮度，LED驅(qū)動(dòng)器應(yīng)該調(diào)節(jié)通過(guò)LED的電流電壓而非調(diào)節(jié)LED兩端的電流電壓。圖1顯示了如何輕松地將任何一個(gè)可調(diào)式DC/DC轉(zhuǎn)換器重新配置為一個(gè)恒流源來(lái)驅(qū)動(dòng)串聯(lián)的多個(gè)WLED。只要輸出大于LED正向電壓之和，電壓(VLED)就會(huì)下降。

通過(guò)調(diào)節(jié)VSENSE(電流感應(yīng)電阻器(RSENSE兩端的電壓而非輸出電壓(VO))，驅(qū)動(dòng)器實(shí)質(zhì)上就成為一個(gè)恒定電流源，這使得其輸出電壓(VO)可以隨電流和溫度產(chǎn)生的VLED變化自我調(diào)節(jié)。WLED具有范圍為3.0V到4.0V的壓降，該壓降變化與LED電流大小成正比關(guān)系，而與溫度高低成反比關(guān)系。因此，WLED驅(qū)動(dòng)器的輸出電壓必須至少能夠達(dá)到WLED串的電壓總和，同時(shí)各個(gè)WLED串在最大LED電流時(shí)VLED壓降也達(dá)到最大。

盡管大多數(shù)背光應(yīng)用的輸入電壓都在3.6V～48V DC的范圍內(nèi)，但是多數(shù)MFF LCD背光驅(qū)動(dòng)器卻使用7.2V～21V疊層鋰離子(Li-Ion)電池來(lái)驅(qū)動(dòng)24～100個(gè)LED。不同MFF面板尺寸的WLED數(shù)目不盡相同，介于36個(gè)(12.1英寸面板)至72個(gè)WLED(17英寸面板)之間。

使用圖1所示配置對(duì)單個(gè)WLED串中的多達(dá)72個(gè)LED進(jìn)行調(diào)節(jié)，會(huì)導(dǎo)致電壓高達(dá)72×4V= 288V。因此，大多數(shù)LED背光驅(qū)動(dòng)器均基于升壓轉(zhuǎn)換器內(nèi)核。高壓、單電感升壓轉(zhuǎn)換器較為昂貴，且難以設(shè)計(jì)，這是因?yàn)樗鼈円螅侯~定電壓更高、體積更大、更昂貴的功率FET，以及相應(yīng)的額定二極管和輸出電容；一個(gè)具有87.5%～96%占空比(D=Vout/(Vout+Vin))的升壓控制器，在開關(guān)頻率為1MHz下需要875～960ns的啟動(dòng)時(shí)間(tON)，并且較難控制40ns的最小關(guān)閉時(shí)間(tOFF)；一個(gè)高成本、占用空間的絕緣層，以防止電弧擊穿底板(chassis)；高壓處理和測(cè)試程序；更高的消費(fèi)類電子產(chǎn)品安全等級(jí)；由于更高的共模電流，它們還會(huì)產(chǎn)生更多電磁干擾(EMI)，計(jì)算方法為ICM = CPAR*VOUT*fSW，其中，CPAR為漏極到接地的寄生電路板電容，fSW為升壓轉(zhuǎn)換器開關(guān)頻率。

采用反激式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)而非基于電感的升壓拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)讓設(shè)計(jì)人員可以使用一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)、低成本的升壓控制器IC，但是會(huì)增加定制設(shè)計(jì)變壓器的復(fù)雜度。因此，為維持IC和配套無(wú)源組件的低成本，集成FET的升壓驅(qū)動(dòng)器的制造商寧愿將驅(qū)動(dòng)器輸出限定在60V以下。由這類升壓轉(zhuǎn)換器驅(qū)動(dòng)的單個(gè)LED串可能會(huì)被限定在20個(gè)LED以下，這幾乎無(wú)法驅(qū)動(dòng)較大的MFF面板。因此，圖1所示的轉(zhuǎn)換器具有幾個(gè)并聯(lián)的m串，每個(gè)串都有n個(gè)LED和10 Ohm范圍內(nèi)的鎮(zhèn)流電阻器，以幫助均衡流經(jīng)各串的電流以及各串兩端的電壓。流經(jīng)WLED的電流和WLED兩端的電壓越接近，則每個(gè)串的顏色和亮度就會(huì)越一致。

對(duì)圖 1 所示鎮(zhèn)流電阻器進(jìn)行大小排列以達(dá)到各串之間的最佳匹配十分困難。較好的方法是將升壓轉(zhuǎn)換器和多個(gè)電流調(diào)節(jié)器(汲入)結(jié)合，這樣便可真正地將流經(jīng)各串的相同電流導(dǎo)入單個(gè)驅(qū)動(dòng)器 IC 中(圖 2)。驅(qū)動(dòng)器感應(yīng)各個(gè) VIFBx引腳上的壓降，并利用升壓轉(zhuǎn)換器來(lái)提供剛好足夠的輸出功率，以便將最低的VIFBx引腳電壓 (VIFBmin)維持在電流調(diào)節(jié)器的最大壓降電壓之上。

圖2：具有集成電流阱的升壓轉(zhuǎn)換器背光驅(qū)動(dòng)器。

接下來(lái)的問(wèn)題是如何選擇n和m?

優(yōu)化LED串的數(shù)目

選擇升壓驅(qū)動(dòng)器的n和m時(shí)需要考慮如下幾個(gè)因素：nMAX×VLEDmin＜升壓轉(zhuǎn)換器的最大輸出電壓；nMIN×VLEDmin＞VINmax；m決定亮度要求，并設(shè)定轉(zhuǎn)換器的最大負(fù)載電流ILOADma=m×ILEDmax。

測(cè)得數(shù)據(jù)證明，在每個(gè)串輸入電壓和ILED相同的條件下，一個(gè)m=6且n=12(即12S6P)配置的驅(qū)動(dòng)器比9S8P配置的相同轉(zhuǎn)換器更加高效。為什么這么說(shuō)呢？升壓轉(zhuǎn)換器和電流調(diào)節(jié)器的詳細(xì)的效率分析報(bào)告并不在本文的討論范圍內(nèi)，但答案可想而知。

升壓轉(zhuǎn)換器輸出功率增加的同時(shí)，其損耗也隨之增加。升壓轉(zhuǎn)換器輸出功率隨VOUT和/或輸出負(fù)載的上升而增加。升壓轉(zhuǎn)換器輸出電壓隨n串聯(lián)LED數(shù)目的增加而上升，同時(shí)輸出負(fù)載隨m串?dāng)?shù)目的增加(或者每個(gè)串電流的升高)而上升。電流調(diào)節(jié)器的損耗為每個(gè)串的電流乘以各電流反饋引腳的電壓IFBx。很顯然，隨著各串電流升高或?qū)τ诰邆漭^大V< IFB調(diào)節(jié)電壓的驅(qū)動(dòng)器而言，調(diào)節(jié)器損耗較高。如前所述，圖2所示驅(qū)動(dòng)器對(duì)升壓轉(zhuǎn)換器進(jìn)行調(diào)節(jié)，這樣輸出電壓僅升至該串(擁有最大V LEDs加VIFBmin的WLED)VLEDs的總和值。由于余下串(具有更低壓降)的LED致使其余VIFB的電壓較高，因此余下的電流調(diào)節(jié)器便浪費(fèi)了功率。

以統(tǒng)計(jì)方法來(lái)看，存在一個(gè)m串、每個(gè)串n個(gè)LED的最佳數(shù)字，以最小化功耗的同時(shí)最大化驅(qū)動(dòng)器效率。結(jié)合LED壓降的平均值、差值和標(biāo)準(zhǔn)偏差來(lái)對(duì)電流調(diào)節(jié)器的損耗進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，其表明電流調(diào)節(jié)器損耗與m串?dāng)?shù)目呈正比例關(guān)系，但是只有在每個(gè)串n個(gè)LED數(shù)量的平方根時(shí)才成立。

圖3顯示了特定驅(qū)動(dòng)器中升壓轉(zhuǎn)換器和電流調(diào)節(jié)器效率模型的結(jié)果。

圖3：Vin=11V、VIFBx=0.4V及ILED=20mA時(shí)LED 總數(shù)量與總驅(qū)動(dòng)器損耗之間的對(duì)比關(guān)系。

該結(jié)果隨VIN、ILED和VIFB發(fā)生些許變化，同時(shí)很顯然大多數(shù)MFF面板的背光均會(huì)在4

調(diào)光

如圖4所示，調(diào)節(jié)一個(gè)WLED串亮度的最簡(jiǎn)單方法是在D占空比的固定頻率上向圖1所示驅(qū)動(dòng)器啟動(dòng)引腳施加一個(gè)脈寬調(diào)制(PWM)信號(hào)。該平均WLED電流為PWM信號(hào)的占空比乘以LED最大電流ILED-max，即ILED-avg = D x ILED-max。由于流經(jīng)LED的最大電流相同，因此PWM調(diào)光會(huì)帶來(lái)一個(gè)非常線性的亮度變化。另外，由于LED的發(fā)射光譜隨其壓降大小而變化，而該壓降又隨ILED而變化，因此PWM調(diào)節(jié)過(guò)程中LED背光的色度、色彩和色調(diào)(即實(shí)際“白”的程度)均十分出色。

不過(guò)，使用PWM調(diào)節(jié)時(shí)陶瓷輸出電容的壓電屬性會(huì)帶來(lái)問(wèn)題。特別是，這種電容在可聽范圍(20Hz～20kHz)PWM信號(hào)頻率充電和放電時(shí)，它便會(huì)振動(dòng)，人耳可聽到電容和PCB運(yùn)行，聲音如同振鈴或嗡嗡聲。振動(dòng)大小與電壓振幅和陶瓷電容封裝尺寸成正比例關(guān)系。縮小電容封裝尺寸可減弱這種振鈴。并聯(lián)串m更多，而每個(gè)串的LED數(shù)量n更少，從而降低電容的電壓，這樣便可降低這種振鈴的大小。另外，最新的帶電流調(diào)節(jié)器的一些驅(qū)動(dòng)器只需在PWM調(diào)節(jié)時(shí)關(guān)閉電流調(diào)節(jié)器和升壓轉(zhuǎn)換器，便可防止陶瓷輸出電容在PWM調(diào)光期間完全放電。

最初，為了避免陶瓷電容振鈴，許多面板制造商都改用模擬調(diào)光，如圖4所示。模擬調(diào)光實(shí)質(zhì)上并未產(chǎn)生輸出紋波，這是由于一個(gè)外部信號(hào)對(duì)圖1中的升壓轉(zhuǎn)換器或圖2所示調(diào)節(jié)點(diǎn)的電流調(diào)節(jié)進(jìn)行調(diào)節(jié)，進(jìn)而對(duì)流經(jīng)LED的DC電流電平進(jìn)行調(diào)節(jié)。與PWM調(diào)光方法相比，模擬調(diào)光方法的其他好處還包括兩個(gè)：更高的電氣效率，這是因?yàn)镮LED壓降時(shí)升壓轉(zhuǎn)換器輸出電壓=VLEDs壓降之和；以及更高的光電效率，這就是說(shuō)相同電力消耗產(chǎn)生的流明更多。

深度調(diào)光時(shí)，模擬調(diào)光方法存在一些電流精度的問(wèn)題，這是因?yàn)檎`差信號(hào)放大器失調(diào)電壓致使VREF電壓或電流吸收器電壓太小而無(wú)法精確地控制。另外，亮度線性和色度都不如使用PWM調(diào)光方法獲得的效果好，特別是進(jìn)行深度調(diào)光時(shí)。因此，最佳的解決方案是將PWM調(diào)光方法和模擬調(diào)光方法相結(jié)合，其被稱為混合模式調(diào)光，如圖4所示。

圖4：調(diào)光方法。

混合模式調(diào)光方法使用輸入PWM信號(hào)來(lái)實(shí)施模擬調(diào)光，直到LED電流快要降至足以較大影響LED精度、線性和色度為止。在圖4中，當(dāng)PWM信號(hào)占空比(D)為12.5%時(shí)形成上述電流。該最小電流電平條件下，電路開始使用真正的PWM調(diào)光方法。然而，與在輸入PWM信號(hào)占空比時(shí)開啟和關(guān)閉電流吸收器的最大LED電流不一樣，該電路將輸入占空比轉(zhuǎn)化為適當(dāng)值，以用于模擬調(diào)光獲得的最小WLED電流電平。

圖5：使用TPS61195的背光驅(qū)動(dòng)器實(shí)例。

例如，TPS61195能夠驅(qū)動(dòng)多達(dá)m = 8個(gè)串(并聯(lián))，每組n = 10+WLED(串聯(lián))。通過(guò)SMBus接口，TPS61195還提供了靈活的調(diào)光選項(xiàng)，因此設(shè)計(jì)工程師可以根據(jù)系統(tǒng)要求使用純PWM調(diào)光或模擬和PWM調(diào)光的混合模式來(lái)對(duì)WLED進(jìn)行調(diào)節(jié)。

本文小結(jié)

背光驅(qū)動(dòng)器廠商們正不斷改進(jìn)背光驅(qū)動(dòng)器，以滿足面板制造商對(duì)于較小解決方案尺寸、最大效率和靈活調(diào)光方法的需求。例如，采用4×4 QFN封裝的TPS61195可驅(qū)動(dòng)8個(gè)串(每個(gè)串由12個(gè)WLED組成，每個(gè)串的輸入電壓均高達(dá)21V)，同時(shí)提供了靈活的調(diào)光方法，可滿足上述這些需求。