應(yīng)用新LED驅(qū)動(dòng)技術(shù)減低LCD電視用電量 - 全文

　　根據(jù)超高效設(shè)備和器具部署計(jì)劃（Super-efficient Equipment and Appliance Deployment，SEAD），全球家庭耗電量當(dāng)中有3～8%是由電視產(chǎn)生的。幸而，勞倫斯柏克萊國家實(shí)驗(yàn)室 （Lawrence Berkeley National Laboratory）的一項(xiàng)分析報(bào)告指出，技術(shù)改進(jìn)，如更具效率的LED驅(qū)動(dòng)，將在未來的日子大幅減低電視機(jī)的用電量。

　　毫無疑問，使用LED背光的LCD技術(shù)是唯一可行的方法，有助于廠商達(dá)到政府要求的能源效益目標(biāo)。等離子電視的缺點(diǎn)在于每個(gè)像素都是活躍的光發(fā)射體，能耗直接取決于像素?cái)?shù)量的多少，兩者成正比關(guān)系。在相同分辨率和亮度下，高清等離子電視的平均能耗是LCD液晶顯示器的2至3倍。近期有報(bào)導(dǎo)指出，備受吹捧的OLED技術(shù)也許未能如愿在短期內(nèi)上市。事實(shí)上，這種大屏幕技術(shù)要求大量的投資，使市場卻步。另一方面，若大型顯示屏幕采用目前先進(jìn)的TFT-LCD技術(shù)，以及配備局部調(diào)光功能的智能型LED背光技術(shù)，能耗和畫面質(zhì)量堪與OLED技術(shù)相提并論，但成本卻要低得多。

　　然而，現(xiàn)在的LCD電視即使采用了LED背光技術(shù)，仍難以符合未來幾年的能耗目標(biāo)。不過新的LED驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)技術(shù)可保證顯著的節(jié)能效果，大大有助于電視制造商滿足嚴(yán)格的功耗要求。

　　不斷變化的電視能耗標(biāo)準(zhǔn)

　　“能源之星”等電視能耗標(biāo)準(zhǔn)早于2008年面世，且每年都進(jìn)一步降低電視的用電量限制。隨著新標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定任何尺寸的屏幕最多也只能耗用85W，大尺寸屏幕電須面對(duì)更為嚴(yán)苛的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。

　　“能源之星”這項(xiàng)廠商自發(fā)跟從的標(biāo)準(zhǔn)極具影響力，但并不是唯一的規(guī)范。例如，美國加州的能源委員會(huì)便發(fā)布了自己的標(biāo)準(zhǔn)，要求不但比“能源之星”更高，甚至禁止未達(dá)到相關(guān)能源效益標(biāo)準(zhǔn)的電視在加州銷售。在歐洲，多年前已有歐盟能源卷標(biāo)法例，方便用戶直接比較不同家庭電器的能耗，以作為選購的憑據(jù)。有關(guān)法例目前已對(duì)電視、洗衣機(jī)、干衣機(jī)，以及汽車和車胎強(qiáng)制執(zhí)行。

　　LED背光的操作

　　LED背光燈的能源會(huì)耗掉LCD電視電源系統(tǒng)的30%到70%電力。因此，背光燈電源電路的效率改善能大大提升整個(gè)系統(tǒng)的能源效率。與很多電源系統(tǒng)的慣常設(shè)計(jì)一樣，許多小的能耗改善結(jié)合在一起，就可以大幅節(jié)省能源消耗。

　　實(shí)施LED背光照明有兩種方法（如圖1）。在間接或側(cè)光式背光照明中，LED被安置在屏幕邊緣，由導(dǎo)光板在屏幕上產(chǎn)生均勻的光線。這種設(shè)計(jì)能夠在最大60吋的電視顯示屏上提供非常好的光學(xué)均勻性，且背光燈單元的厚度僅為5至10mm。

　　在直光式照明系統(tǒng)中，LED燈直接布置在LCD背后，實(shí)現(xiàn)低能耗、高散熱的設(shè)計(jì)，并帶來卓越的擴(kuò)展性，原則上對(duì)屏幕尺寸也沒有限制。這種面板較側(cè)光式照明方案厚一些，但若使用最新的配光技術(shù)，顯示屏的厚度亦可以只有8mm。直光式照明的重要優(yōu)點(diǎn)在于它能實(shí)現(xiàn)精確的局部調(diào)光，從而降低能耗及提高動(dòng)態(tài)對(duì)比度，使最新的電視設(shè)計(jì)質(zhì)量可媲美OLED產(chǎn)品。

　　圖1 LCD電視有兩種LED背光照明設(shè)計(jì)選擇

　　LED背光照明系統(tǒng)架構(gòu)選擇

　　適當(dāng)?shù)腖ED背光驅(qū)動(dòng)器系統(tǒng)架構(gòu)能發(fā)揮最大的節(jié)能潛力，還可顯著提升畫面質(zhì)量。同時(shí)，設(shè)計(jì)人員也追求局部控制LED燈串與最低物料清單（BOM） 成本之間的最佳平衡。

　　單串聯(lián)和單DC-DC轉(zhuǎn)換器

　　開關(guān)模式電源（SMPS）用來為串聯(lián)的背光燈LED燈組提供電壓。設(shè)計(jì)包含了電流源以調(diào)節(jié)通過LED燈串的電流。為了把功率損耗降到最低，在ILED源的電壓需要比額定電壓稍微高一點(diǎn)，以確保LED接收到指定電流（見圖2） 。

　　圖2 單串聯(lián)單DC-DC轉(zhuǎn)換器背光燈系統(tǒng)架構(gòu)

　　通常采用的設(shè)計(jì)方法是在ILED 源與SMPS之間使用反饋回路，以調(diào)節(jié)SMPS的輸出電壓。這種反饋回路必須容許兩個(gè)LED之間的正向電壓（Vf）可以改變。白光LED的典型Vf約為3.2V，但每個(gè)LED的Vf 可以有多達(dá)±200mV的落差。因此，以一串有10個(gè)LED的燈串來說，VLE的總電壓介乎30V至34V。DC-DC轉(zhuǎn)換器所需的電壓為：VDC-DC = VLED + VSINK；VLED = n*Vf（LED）。其中，VSINK的電壓為0.5V，所以ILED源必須將VDC-DC穩(wěn)定在30.5V至34.5V之間，視乎實(shí)際的LED正向電壓。

　　多串行電路和多DC-DC轉(zhuǎn)換器

　　通常采用單串聯(lián)LED燈組并不足夠，因?yàn)殡S著串聯(lián)的LED數(shù)量增加，所需的輸出電壓也會(huì)增加。當(dāng)設(shè)計(jì)超過一定的VOUT/VIN電壓比率，SMPS的效率就會(huì)急劇下降。LED背光燈設(shè)計(jì)人員因此需要使用多個(gè)串行電路，從而避免SMPS的輸出電壓過高。

　　最簡單的方法便是在每個(gè)串聯(lián)燈組復(fù)制單串聯(lián)單DC-DC轉(zhuǎn)換器拓?fù)洌ㄒ妶D3）。這樣做可以提高效率，因?yàn)槊總€(gè)串行電路的電壓是分開調(diào)節(jié)的。然而，每個(gè)串行電路都需要本身的DC-DC控制器、MOSFET、線圈、二極管和輸出電容，使高昂的成本成了這種設(shè)計(jì)的缺點(diǎn)。為了節(jié)省所需的物料成本，設(shè)計(jì)人員可以減少LED的通道數(shù)量，改為使用長串聯(lián)設(shè)計(jì)把多個(gè)LED放在一起。但是，這就會(huì)影響系統(tǒng)的局部調(diào)光功能，而這卻是另一個(gè)重要的節(jié)能技術(shù)所在。因此，反復(fù)權(quán)衡，這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)不見特別有吸引力。

　　圖3 每個(gè)LED串行電路都包含獨(dú)立DC-DC轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)非常昂貴

　　采用單DC-DC轉(zhuǎn)換器的多串行電路

　　為了減少物料清單的成本，一種更徹底的方法是采用單DC-DC轉(zhuǎn)換器的多串行電路拓?fù)洌ㄒ妶D4）。該方法的缺點(diǎn)是SMPS電壓必須調(diào)節(jié)到略高于包含最高正向電壓的串聯(lián)LED電壓，換言之，工作電壓將會(huì)高于包含最低正向電壓的串聯(lián)LED額定電壓。這意味著ILED 源電流必須耗散燈串這些多余的電量，結(jié)果產(chǎn)生了必須從電路板中去除的熱量，也導(dǎo)致了功率效率的降低。

　　圖4 采用單個(gè)DC-DC轉(zhuǎn)換器服務(wù)多個(gè)LED串行電路，使SMPS電壓未被充分利用

　　多串行電路混合架構(gòu)

　　該架構(gòu)提供效率和物料成本之間的最佳平衡。它結(jié)合了上文提到的多串行電路和多DC-DC轉(zhuǎn)換器兩者的架構(gòu)元素。這種混合架構(gòu)（如圖5）利用多個(gè)DC-DC轉(zhuǎn)換器為多個(gè)LED串行電路組合提供電壓。

　　圖5 混合架構(gòu)使物料成本及效率達(dá)致更佳平衡

　　該方案能提供最好的整體能源效率，因?yàn)樗鼌R聚了直光式系統(tǒng)的局部調(diào)光優(yōu)勢與出色的DC-DC輸出電壓穩(wěn)壓效能。與高效率的多串聯(lián)多DC-DC轉(zhuǎn)換器架構(gòu)相比，也大大節(jié)省了物料成本。

　　調(diào)節(jié)電流以滿足LED的特性要求

　　LED的制造流程會(huì)導(dǎo)致不同的LED在亮度和色溫上出現(xiàn)廣泛的變化。因此，為方便用戶，白光LED制造商會(huì)根據(jù)不同的顏色、亮度和正向電壓對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行分組，將表現(xiàn)近似的產(chǎn)品歸為一類。不過，制造商對(duì)亮度和色溫的規(guī)格說明僅在特定的標(biāo)準(zhǔn)操作條件下才有效。這表示LED電流必須設(shè)定為數(shù)據(jù)表中所列的額定電流，方能產(chǎn)生指定的標(biāo)準(zhǔn)亮度和色彩。

　　基于同一理由，調(diào)光和亮度控制也只能透過數(shù)字PWM控制信號(hào)，啟動(dòng)（額定電流）或關(guān)斷（零電流）任意單個(gè)LED的電流來執(zhí)行。在模擬調(diào)光中，LED會(huì)在特定額定電流以外操作，產(chǎn)生無法接受的色溫改變以及LED之間不良的亮度匹配（如圖6）。

　　圖6 相同類別的LED在額定電流下可保證亮度一致（這個(gè)例子中電流為20mA）

　　電流源特性

　　隨著LED需要完美調(diào)節(jié)的恒流電源，LED驅(qū)動(dòng)器的首要作用是在啟動(dòng)開關(guān)時(shí)將電流設(shè)置為額定值，而當(dāng)關(guān)閉開關(guān)時(shí)則確保電流為0A。因此，對(duì)準(zhǔn)確調(diào)節(jié)電流輕足輕重的反饋回路電流便需要極其精確的電流源（見圖7）。

　　雖然電流源的設(shè)計(jì)有許多種，但電視背光的精準(zhǔn)要求（電流調(diào)節(jié)精度誤差小于0.5%） 迫使系統(tǒng)采用精確的運(yùn)算放大器來設(shè)定ILED電流，毋須理會(huì)ILED電壓。但在背光驅(qū)動(dòng)器應(yīng)用中，即使是在電流源的電壓變得非常低的時(shí)候仍要維持電流調(diào)節(jié)的準(zhǔn)確性，使該任務(wù)變得難以實(shí)現(xiàn)。

　　然而，奧地利微電子公司特別設(shè)計(jì)的4代超精準(zhǔn)電流源LED驅(qū)動(dòng)器系列，包括AS369x、AS381x、AS382x和AS385x，卻可以滿足這種應(yīng)用的嚴(yán)苛要求。這些器件還包含偏移補(bǔ)償運(yùn)算放大器。電流源驅(qū)動(dòng)器需要最低的漏極電壓（VDS（sat）），以確保飽和區(qū)域內(nèi)電流源晶體管的準(zhǔn)確性和正常操作。飽和區(qū)域的輸出電流主要受閘極源電壓控制。

　　若要使電流源的運(yùn)作達(dá)到更高效率，VSET和VDS的壓降處于低水平是非常重要的。配備運(yùn)算放大器的LED驅(qū)動(dòng)器包括了內(nèi)置偏移補(bǔ)償功能，這能將VSET維持在125至250mV的低水平。系統(tǒng)同時(shí)為高于VDS（sat）的VDS提供150mV的額外電壓差，將使電流源可達(dá)到共約400mV的壓降。由8個(gè)LED構(gòu)成的串行電路（Vf = 8 x 3.2 = 25.6V），其ISINK的電流耗損約為1.5%。如果奧地利微電子的背光LED驅(qū)動(dòng)器沒有包含偏移補(bǔ)償功能，VSET值將會(huì)更高，引起電流源更高的能源耗損。

　　圖7 不同的電流源設(shè)計(jì)：精確的電流源必須使用高精度且含偏移補(bǔ)償功能的運(yùn)算放大器

　　反饋調(diào)節(jié)優(yōu)化功率

　　如上文所述，從LED驅(qū)動(dòng)器到SMPS的反饋回路使漏電壓處于所需的最低值。輸出電流源既可用簡單且明確的電流輸出驅(qū)動(dòng)器和外部電容器（見圖8中左圖）來部署，也可以使用數(shù)字控制電路設(shè)定啟動(dòng)/釋放次數(shù)，并借助數(shù)字—模擬轉(zhuǎn)換器（IDAC） 來控制電流輸出（見圖8中右圖）。

　　圖8 建立到SMPS反饋回路的兩種方法

　　這兩種方法都具有較高的效率，可以配合各種含電壓反饋的SMPS運(yùn)作，并可以透過用反饋線路把多個(gè)驅(qū)動(dòng)器連接至同一個(gè)SMPS，以符合混合架構(gòu)系統(tǒng)的要求。

　　然而，第二種數(shù)字實(shí)施方法擁有獨(dú)特的優(yōu)勢。除了不用輸出電容器，數(shù)字電路還讓設(shè)計(jì)人員自由定義反饋系統(tǒng)的啟動(dòng)和衰減次數(shù)。選用含衰減潛伏期及衰減速度相對(duì)較慢的快速啟動(dòng)時(shí)間，將能改善顯示器的表現(xiàn)。這種優(yōu)勢尤見于需要迅速改變亮度的情況?？焖賳?dòng)消除了屏幕從暗至全亮過程中可感知的亮度瑕疵。圖8中的模擬方案在短暫的暗框（dark frame）期間逐漸調(diào)暗LED的亮度輸出，結(jié)果在下一輪亮框（bright frame ）之前造成顯眼的延遲。

　　這對(duì)電視觀眾來說是一種明顯的干擾，因?yàn)殡娪昂推渌?a target="_blank">視頻內(nèi)容均是由一幀到另一幀的動(dòng)態(tài)畫面構(gòu)成。不過，數(shù)字調(diào)節(jié)電路卻能透過在衰變指令中插入成百上千毫秒的延遲來消除這些瑕疵。這意味著，當(dāng)變亮過程被一系列短暫的變暗過程打斷，第二個(gè)變亮過程將從全亮開始。這是因?yàn)轵?qū)動(dòng)器自動(dòng)延遲了電壓的斜降。奧地利微電子旗下產(chǎn)品已提供了可實(shí)現(xiàn)衰減延遲的數(shù)字反饋算法。

　　另一個(gè)整合到LED驅(qū)動(dòng)器IC的實(shí)用功能是快速串行外設(shè)接口（SPI） 。在直光式電視中，LED組成大量相對(duì)較短的串行電路，使面板上的細(xì)小部分也能夠?qū)崿F(xiàn)調(diào)光以節(jié)約能源。在通常情況下，這種組合包含256條信道，以16x16矩陣排列，每個(gè)LED均由PWM獨(dú)立配置?？墒?，產(chǎn)生256個(gè)具備可變PWM寬度和延遲的PWM信號(hào)對(duì)最快的微控制器來說，都依然是極其巨大的處理任務(wù)。

　　因此，這些背光系統(tǒng)在LED驅(qū)動(dòng)器IC中加入了局部PWM產(chǎn)生器。這就可以用簡單的SPI數(shù)據(jù)傳輸來設(shè)定亮度。在多驅(qū)動(dòng)器IC架構(gòu)中（例如由16個(gè)16通道IC構(gòu)成的256通道架構(gòu)） ，LED通道可以由菊鏈SPI信號(hào)方式進(jìn)行配置，傳輸用于VSYNC框架至前一個(gè)框架的數(shù)據(jù)。

　　在這種組合下，通過SPI進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸在400Hz 幀速率下可以達(dá)到20Mb/秒的速度，或50kb/幀。有了能夠彌補(bǔ)局部PWM發(fā)生器延時(shí)、高峰和時(shí)段的延遲功能，該傳輸速度足以實(shí)現(xiàn)各處的實(shí)際幀同步調(diào)光。因此，理想的局部調(diào)光效果能以最低的微控制器成本得以實(shí)現(xiàn)。

　　側(cè)光式系統(tǒng)的智能型調(diào)光

　　該局部調(diào)光技術(shù)僅適用于直光式照明系統(tǒng)，但側(cè)光式照明仍可有一定程度的智能式調(diào)光功能，特別是PWM調(diào)光功能可在白光LED色溫保持不變的情況下，調(diào)整亮度。在該方案中，側(cè)光照明所用的LED并非永久設(shè)定在特定的亮度值，而是可以憑借脈沖寬度的變化動(dòng)態(tài)改變亮度。

　　另一種節(jié)省能源的技術(shù)是動(dòng)態(tài)亮度調(diào)節(jié)（DLS） 。有了這種技術(shù)，LCD顯示器的白電平/亮度水平便可在特定場景中調(diào)高，從而減少背光LED的電源輸出。

　　此外，還可以使用環(huán)境光源傳感器來減少能耗。如果看電視時(shí)周遭環(huán)境較暗，背光燈亮度就可以減弱（見圖9） 。

　　圖9 采用智能型LED驅(qū)動(dòng)器和智能型環(huán)境光源傳感器的節(jié)能方法

　　其實(shí)電視制造商也正在探索更先進(jìn)的方法。比如，顯示器開始加入鏡頭，使消費(fèi)者可以在電視上使用Skype之類的視頻電話功能。這些鏡頭也可以用來檢測是否有人在看電視，如果房間里根本沒有人在看電視，背光燈的亮度就可調(diào)校到最低水平。

　　還有，度身訂制的能源使用模式也將得以實(shí)現(xiàn)。雖然你可能愛在弱背光亮度的節(jié)能模式下看電視，但其他人或許更喜歡在全亮度下看電視。

　　總括而言，現(xiàn)有的先進(jìn)LED驅(qū)動(dòng)技術(shù)可透過提升效率達(dá)致節(jié)能。隨著日趨嚴(yán)格的法規(guī)不斷收緊對(duì)新電視最大能耗的限制，這將有助于電視制造商面對(duì)新挑戰(zhàn)。