在越來越多的新興需求和綠色節(jié)能趨勢推動下，能夠提升電源能效的電源和電源管理技術的應用將快速增長，背光就是一種典型的應用需求。雖然目前液晶電視的背光源仍以傳統(tǒng)冷陰極熒光燈(CCFL)為主，但隨著全球節(jié)能環(huán)保意識的日益增強，新型發(fā)光二極管(LED)背光源已廣受關注，成為CCFL的有力競爭者。在便攜式應用方面，液晶背光LED驅動方案更需要滿足高能效、延長電池使用時間、減小印制電路板面積等要求。本文將結合安森美半導體的解決方案探討背光市場和應用的特點及需求。

 

背光應用的需求和挑戰(zhàn)

LED具有高色彩飽和度、環(huán)保耐用等優(yōu)點，已在各種中小尺寸LCD面板中大量應用，目前正逐步向筆記本電腦、液晶電視等大中型LCD背光源市場滲透。2009年液晶電視采用LED背光的比例僅為3%，在未來三四年內(nèi)，將可迅速攀升至40%至50%，為開發(fā)LED驅動器方案的廠商帶來了巨大商機。

 

與CCFL相比，LED背光源的色彩表現(xiàn)更具優(yōu)勢。LED采用5 V～24 V低壓驅動，非常安全，驅動電路設計較為簡單，也非常節(jié)電。LED不使用對環(huán)境有害的汞，也就不存在汞泄漏等問題。LED技術也面臨著一些挑戰(zhàn)，如發(fā)光效率較低、成本高、價格昂貴。隨著LCD背光向多種LED技術轉移，設計工程師還要應對電源管理、熱管理和色彩管理等新的挑戰(zhàn)。

 

目前，汽車電子、移動設備、LCD背光、可尋址標志及通用照明等都是LED技術的潛在應用領域，其中LCD背光將成為LED技術的下一個主戰(zhàn)場。

 

此外，電池供電的便攜式應用功能越來越多，尺寸也越來越小巧，使得這些設備的功率需求也越來越高。采用低功率LED驅動器更有助于節(jié)省功耗，延長電池壽命，給消費者帶來更好的使用體驗。

 

安森美半導體的多樣化背光解決方案

 

1. 中大尺寸液晶電視LED背光方案

LED背光液晶電視主要有側光式和背光式兩種方案，其電源管理的重要要求就是提高能效；另外，由于LED背光液晶電視以超薄外型為重要賣點，其電源管理方案更要以低高度來配合纖薄設計，還要顧及散熱、降低電磁干擾、不同通道亮度匹配、調(diào)光及故障診斷和保護等問題。

 

(1)側光式方案：安森美半導體的高性價比多通道線性LED側光式方案在半橋轉換段采用NCP1397初級側控制器和500 V高壓MOSFET NDF05N50，以及6通道線性LED驅動器CAT4026。CAT4026是用于大尺寸側光式LED背光液晶電視的高性價比多通道線性LED驅動器，可以單顆IC支持6個通道，易于分級為多達12個或18個通道(相應采用2個或3個控制器)，目標能效高于90%，典型能效達94%；提供<±2%的極佳電流匹配精度及<1%的400 Hz PWM調(diào)光范圍，并采用外部功率雙極結晶體管實現(xiàn)更好的散熱。

 

該方案由LED背光轉換器(NCP1397等)和LED控制器(CAT4026等)組成(見圖1)，支持低高度LED背光液晶電視設計，電路板上高度低于8 mm，總高度低于12.5 mm，還可以優(yōu)化處理寬范圍調(diào)光、散熱、故障保護等，使電源設計挑戰(zhàn)迎刃而解。

圖1：大屏幕LED背光液晶電視側光式方案(黃色背景部分)

 

(2)直下式方案：除了側光式方案，安森美半導體還提供基于NCP1397、NDF05N50和NCP1034的直下式降壓驅動方案。NCP1034采用高達500 kHz的可編程開關頻率驅動一對外部N溝道MOSFET，能夠靈活調(diào)節(jié)集成電路的工作，以符合系統(tǒng)級要求。另外，內(nèi)部1.25 V參考電壓可以對輸出電壓精密穩(wěn)壓，用于低壓應用。該器件具有預防電氣故障的保護特性，如欠壓鎖定和斷續(xù)(hiccup)電流限制，在發(fā)生故障時可提供系統(tǒng)級安全性。其優(yōu)勢包括驅動高能效場效應管(FET)及為1顆或多顆器件提供固定頻率。

 

安森美半導體還為LED背光液晶電視提供了更多一站式方案，包括功率因數(shù)校正(PFC)、待機開關電源，以及相關的整流器、運算放大器、MOSFET及分立器件等。

 

2. 便攜式設備LED背光方案

對便攜式電子設備設計人員來說，高效能和小尺寸通常是最優(yōu)先考慮的因素。安森美半導體推出了各種為便攜式設備優(yōu)化的LED背光方案，如用于扣式電池供電設備的低功率LED背光驅動器，以及用于手機和數(shù)碼相機等的LED背光驅動器，以配合客戶在獲得小尺寸設計的同時延長電池使用時間，推出符合用戶需求的創(chuàng)新產(chǎn)品。

 

(1)鈕扣式電池供電設備LED背光驅動器：越來越多的創(chuàng)新型便攜設備采用了鈕扣式電池，如血糖儀、數(shù)字體溫計、血氧計、呼吸分析儀和生理監(jiān)測儀等。由于這種電池的獨特特性以及需要長工作壽命，這些緊湊型應用需要定制的LED驅動器，不僅要管理背光，還要監(jiān)測電池電量。

 

這類應用可采用安森美半導體新的CAT3661單LED驅動器，圖3是其應用電路圖。該器件采用安森美半導體專利的四模(Quad Mode)電荷泵架構，能效高達92%，靜態(tài)電流低至150 μA，提供可調(diào)節(jié)的低電池電量檢測、強固的LED故障監(jiān)測、軟啟動和短路限制等功能，采用低高度3 x 3 mm TQFN-16封裝，非常適合這類應用。

 

圖3：為鈕扣式電池供電設備優(yōu)化的CAT3661 LED驅動器應用電路圖

 

新元件提供了低噪聲輸入汶波和恒定開關頻率，使用小尺寸外部陶瓷電容，進一步節(jié)省空間及系統(tǒng)總成本。四模電荷泵支持2～2.5 V的寬輸入電壓，峰值效能水平比傳統(tǒng)高效能1.5x三模電荷泵高10%。該元件滿載時在所有工作模式下的典型靜態(tài)電流僅為150 μA，具備零電流關閉，可降低能耗，確保延長電池使用時間。

 

(2)手機和數(shù)碼相機等LED背光驅動器：安森美半導體提供線性、電感型和電荷泵型等不同拓撲的LED驅動器，用于手機和數(shù)碼相機等便攜產(chǎn)品。這些驅動方案具有高能效，可延長電池使用時間，減小印制電路板面積和高度，實現(xiàn)纖薄造型。具體而言，線性方案適合色彩指示器和簡單的背光應用，電感型方案能效最佳，電荷泵方案占板面積和高度極小，適合不同應用。

 

便攜產(chǎn)品要顯示高分辨率照片、影片或網(wǎng)頁，獲得良好的用戶體驗，就要采用較大尺寸的LCD屏幕，需要更多的LED背光。驅動更多LED需要消耗更高功率，安森美半導體的NCP5021和NCP5890新穎驅動器集成了環(huán)境光感測功能，根據(jù)模擬環(huán)境光傳感器的輸入自動調(diào)節(jié)背光電流，使屏幕亮度與環(huán)境光匹配，節(jié)省電池電量。圖4是采用NCP5890的多個白光LED應用電路圖。

 

圖4：采用NCP5890的多個白光LED應用電路圖

NCP5890是一款獨特的照明管理器，在極小封裝中集成了LCD背光、裝飾光控制和環(huán)境光感測功能。該器件輸出電壓為30 V，可管理多達8個串聯(lián)LED，實現(xiàn)LCD屏幕的均衡背光。該器件還可控制三組白光LED或RGB LED，在鍵盤或底盤上營造出裝飾光圖案。NCP5890是緊湊型智能手機和便攜式媒體播放器專用解決方案。

此外，NCP5890還內(nèi)置了漸進調(diào)光功能來營造淡入淡出效果。環(huán)境光感測和漸進調(diào)光都是內(nèi)置的自動化功能，可以簡單IC指令激活。該器件支持IC協(xié)議，有兩種不同的地址選項，還具有真關斷(true cut-off)功能，限制關閉模式下的泄漏輸出，以延長電池使用時間。

 

總結

 

安森美半導體身為用于綠色電子產(chǎn)品的首要高性能、高能效硅方案供應商，運用其在低壓和高壓技術、電源管理方面的專長，針對背光應用提供了多樣化解決方案。除了本文著重介紹的一些典型應用，安森美半導體還有各種為不同應用優(yōu)化的LED驅動器，以及創(chuàng)新的GreenPoint®工具，幫助設計人員實現(xiàn)交互式網(wǎng)上設計及驗證，加速固態(tài)照明方案的設計。