《電子技術(shù)應(yīng)用》
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提升液晶電視LED背光性能的新趨勢
電子系統(tǒng)設(shè)計
摘要: 隨著成本和功率效率推動新系統(tǒng)架構(gòu)的發(fā)展和克服設(shè)計挑戰(zhàn),業(yè)內(nèi)大尺寸液晶電視的背光正不斷從冷陰極熒光燈(CCFL)過渡到白光LED。液晶電視設(shè)計人員在LED背光方面所面臨的主要挑戰(zhàn)就是如何在系統(tǒng)設(shè)計復(fù)雜性、元件成本和功率轉(zhuǎn)換效率之間取得平衡。液晶電視LED背光的總系統(tǒng)效率受到幾個因素的影響。新型LED背光驅(qū)動IC正力求解決這些挑戰(zhàn),為液晶電視設(shè)計人員提供了切實可行的解決方案。
Abstract:
Key words :

      隨著成本和功率效率推動新系統(tǒng)架構(gòu)的發(fā)展和克服設(shè)計挑戰(zhàn),業(yè)內(nèi)大尺寸液晶電視的背光正不斷從冷陰極熒光燈(CCFL)過渡到白光LED。液晶電視設(shè)計人員在LED背光方面所面臨的主要挑戰(zhàn)就是如何在系統(tǒng)設(shè)計復(fù)雜性、元件成本和功率轉(zhuǎn)換效率之間取得平衡。液晶電視LED背光的總系統(tǒng)效率受到幾個因素的影響。新型LED背光驅(qū)動IC正力求解決這些挑戰(zhàn),為液晶電視設(shè)計人員提供了切實可行的解決方案。

LED背光類型

  在CCFL背光向白光LED背光轉(zhuǎn)變的過程中出現(xiàn)了兩大類白光LED背光解決方案。大多數(shù)解決方案通常屬于“直下式”或“側(cè)入式”LED背光方案。

  ·“直下式”LED背光是指LED直接在液晶面板后方投射燈光。直下式背光系統(tǒng)通常由短的LED串組成,一般是排列成多個通道或“模塊”的8至12組白光LED。每塊液晶面板使用模塊或通道的數(shù)量多達(dá)64至128個。相比原先的CCFL系統(tǒng),直下式背光系統(tǒng)的優(yōu)勢在于對比度更佳,因為每個LED串或模塊本身都是液晶顯示屏畫面的獨立發(fā)光源。直下式背光系統(tǒng)的缺點在于較高的系統(tǒng)成本和控制復(fù)雜性。

 

     ·側(cè)入式背光系統(tǒng)將LED在液晶面板側(cè)邊或頂部和底部排列成較長的串或“燈條”。每根燈條的LED串可包含多達(dá)20至50組LED。側(cè)入式背光優(yōu)勢在于更低的系統(tǒng)成本和復(fù)雜性。但由于液晶面板照射并非直入,因此對比度品質(zhì)常常會與原先的CCFL系統(tǒng)一樣。側(cè)入式背光的一大優(yōu)勢在于它可用于替代幾乎不能調(diào)整背光系統(tǒng)信號或硬件的傳統(tǒng)CCFL。

設(shè)計挑戰(zhàn)和解決方案

 

      直下式和側(cè)入式背光系統(tǒng)通常都會遇到的設(shè)計挑戰(zhàn)便是功率轉(zhuǎn)換效率及其相關(guān)散熱問題。目前市場上已有幾種液晶電視LED背光驅(qū)動集成電路可為這一問題提供技術(shù)解決方案。

  所有液晶電視系統(tǒng)(包括直下式和側(cè)入式背光系統(tǒng))設(shè)計人員都必須確定既定系統(tǒng)所需LED串和/或通道的數(shù)量,以及每條串所需的LED數(shù)量。系統(tǒng)設(shè)計人員還需要確定達(dá)到規(guī)定液晶背光亮度所需的最大正向電流。一旦確定了這些最高級別的系統(tǒng)要求,下一步必須要考慮的技術(shù)問題便是LED正向電壓(VF)以及因LEDVF差總值而導(dǎo)致的后續(xù)LED串電壓變化。加上每個LED串之間的VF差將對總系統(tǒng)效率產(chǎn)生最大的影響。

      所有白光LED的VF差在同一生產(chǎn)類型中的差別高達(dá)500mV,有時甚至更大??紤]到成本因素,實際測試分類和部件裝箱只能將LEDVF差縮小至大約±100mV的范圍??傠妷鹤畲骎F的LED串將決定LED高側(cè)電源輸出電壓。接下來產(chǎn)生的問題則是利用較低VF總值控制LED亮度的電流阱必須耗盡過量電壓差生成的電源。既定串中的LED數(shù)量越多VF差越大,這一規(guī)律不容忽視。例如,圖4中系統(tǒng)的LED串共有10組,每組VF差都為±100mV,因而導(dǎo)致的LED串電壓失配高達(dá)2V。若VF差高于±100mV,或使用的LED超過10個,那么通道之間的失配率將會增加。

     

       背光控制IC提供的第一項重要功能是一種電壓反饋方法,即將電壓從LED通道電流阱回饋至可調(diào)節(jié)LED(VLED)電源的交流/直流(AC-DC)或直流/直流(DC_DC)升壓轉(zhuǎn)換器。每個LED通道電流阱的內(nèi)部電壓傳感電路均為多路傳輸,可選擇電壓降最低的電流阱。電壓降最低的電流阱將代表VF總計最高的最差條件下LED串。選擇要求最高電壓的LED串將確保所有LED串的運行在工作電流給定的情況下可獲得足夠的電壓余度。對混合VF要求較低的相鄰?fù)ǖ蓝?,過剩功耗將以熱的形式散失掉,但電源反饋將維持最低電壓以保證系統(tǒng)的正常運行。如果沒有電源反饋,一個固定的LED設(shè)備電壓必須設(shè)置成超出所需水平,并會導(dǎo)致系統(tǒng)功率效率的下降。

  在使用配有集成電流阱的背光控制IC時,設(shè)計人員必須對LED通道電壓差進(jìn)行測量和*估,并計算每個LED控制IC的最差條件下混合功耗,以確保在周圍工作溫度給定的情況下,它們不會超過IC最大功耗定額。一般的液晶電視系統(tǒng)運行時的內(nèi)部環(huán)境溫度在65°C以上,大部分IC的額定運行環(huán)境溫度高達(dá)85°C以上。因此不會給系統(tǒng)運行留下很多散熱空間。其次,在運行的正向電流水平達(dá)到70mA至120mA時(常見于很多直下式背光應(yīng)用),配有集成電流阱的IC最適合于LED串系統(tǒng),不超過8到12串LED,并且具備了十分匹配的VF特性。如果要進(jìn)行8至12串LED驅(qū)動,LED電壓源將達(dá)到35V至45V之間,最新一代背光驅(qū)動器IC通常為45V至50V的額定運行電壓。如果LED串短路,這些IC器件在保護(hù)下不會被損壞。此外,液晶電視通用電壓是12V至24V,而額定高壓IC通??芍苯釉谶@樣的電壓下工作。它們并不需要額外的本地降壓調(diào)節(jié)器,這樣可以節(jié)省設(shè)計時間、印刷電路板(PCB)空間和成本。

        直下式背光系統(tǒng)的功能要優(yōu)于控制IC額定功率側(cè)入式背光系統(tǒng),后者不管在什么地方通常都要求某個指定的LED串要達(dá)到20-50甚至更多串LED,而直下式背光系統(tǒng)則要求采取不同的方法。這項應(yīng)用提出了配有集成電流阱的控制IC所無法解決的兩大問題。首先是電流阱的功耗問題,其次是LED串工作電壓遠(yuǎn)大于控制IC的絕對最大額定值。對這些應(yīng)用而言,控制IC可調(diào)節(jié)每個LED串的外部電流阱金屬氧化半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管(MOSFET)。外部MOSFET有助于分散控制IC以外的功率損耗,并可調(diào)整大小來滿足系統(tǒng)需求。對于用在側(cè)入式背光燈條等地方的高壓LED串應(yīng)用來說,VLED工作電壓最高可達(dá)到200V至300V。在這些情況下,可將另一個高壓支柱型串聯(lián)MOSFET放置在電流阱MOSFET和LED串之間,以便在LED串發(fā)生短路的情況下緩沖低側(cè)電流控制。

  圖5:配有外部MOSFET電流阱和可保護(hù)每個LED通道的高壓支柱型串聯(lián)MOSFET的IC背光驅(qū)動器圖示

  用來安裝LED背光驅(qū)動器及其相應(yīng)電路的印刷電路板(PCB)對實現(xiàn)最佳系統(tǒng)性能至關(guān)重要。許多傳統(tǒng)的液晶電視采用的是低成本的雙面印刷電路板。而在新的LED背光液晶電視系統(tǒng)中,印刷電路板不再只是一種安裝和連接元件的方法,它應(yīng)被視作是一個復(fù)雜的電源管理系統(tǒng)中電路的一部分。電路板設(shè)計師發(fā)現(xiàn),有專門電源層和地層的四層電路板可大大增強(qiáng)性能。電源層和地層增加了電路板銅的份量,這就提高了電路板的熱質(zhì)和導(dǎo)熱性能。這些外加層還為輸入電源供應(yīng)器提供低阻抗路徑以及與高速數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)信號和其它噪音源相隔離的電源地面返回路徑。此外,元件安放和走線設(shè)計必須手動完成。為了使背光控制IC能夠發(fā)揮有效作用,各元件應(yīng)安放在印刷電路板物理尺寸所允許的最大距離外。理念就是分散印刷電路板上的IC和外部電流阱MOSFET(如果使用的話),以便更好地分散電路板上功耗點源及其產(chǎn)生的熱量。印刷電路板走線在設(shè)計時應(yīng)為所有功率輸入和輸出提供盡可能最低的阻抗連接。為最大程度上降低印刷電路板走線的阻抗和實現(xiàn)印刷電路板蓄熱功能的最大化,建議針對所有電源走線使用一盎司或兩盎司銅。對數(shù)據(jù)信號走線來說,半盎司銅就足夠了,但使用最大量的銅則會產(chǎn)生最佳的效果。

     許多傳統(tǒng)的CCFL背光系統(tǒng)無法向CCFL燈管添加相位延遲。基于這點,許多LED背光設(shè)計人員就延續(xù)這種做法,不向LED背光串添加任何相位延遲,但具有波動噪聲降低和許多高端直下式背光架構(gòu)的高級液晶除外。這些傳統(tǒng)CCFL背光系統(tǒng)的設(shè)計人員常常沒有可用于多通道脈寬調(diào)制相位延遲的控制信號。此外,有限的時間和資源限制了為電視系統(tǒng)增加新的控制界面和微控制器。最新一代的LED背光IC控制器可針對LED背光電流阱脈寬調(diào)制調(diào)光信號內(nèi)部生成用戶可編程的相位延遲,從而解決了這個難題。圖7顯示,針對CCFL背光設(shè)計的液晶電視具有在120Hz到480Hz范圍內(nèi)的簡單脈寬調(diào)制調(diào)光信號,并使用了可編程相位延遲。在這種情況下,一個側(cè)入式背光應(yīng)用可使用6個LED電流阱通道,從而實現(xiàn)了從現(xiàn)有的CCFL液晶電視到LED背光的升級。這6個通道就具有60度相位延遲,可用于平均分配通道開啟/關(guān)閉時間,并通過LED串交流-直流或直流-直流升壓電源降低峰值電流和平均電流。這就提高了電源效率,并且通過降低峰值電感電流,可為系統(tǒng)選擇具有更低飽和電流規(guī)格的低成本電感器。

結(jié)論

  隨著LED電視背光系統(tǒng)的不斷發(fā)展,新型液晶電視LED背光控制IC為設(shè)計人員帶來了更好的解決方案。在選擇LED背光控制IC時,應(yīng)考慮以下系統(tǒng)特點:

  LED VF規(guī)格和容差

  根據(jù)LED VF量所需的LED串電壓總值

  系統(tǒng)可以使用配有集成電流阱的IC或需要帶有外置MOSFET的控制器嗎?

  計算并聯(lián)LED電壓失配造成的功率消耗以及所需的最大LED電流

  一旦最高級別的系統(tǒng)參數(shù)降低后,就可以選擇IC。設(shè)計人員必須解決最糟糕的情況下LED串功率消耗的問題。LED電源設(shè)計應(yīng)具有來自控制IC電流阱的正反饋信號,以降低LED串過多的電源電壓,從而使總系統(tǒng)功率轉(zhuǎn)換效率最大化。在排布背光電源印刷電路板時,請考慮電路板和放置元件的熱屬性,盡可能分散消耗功率,使電路板的熱量和熱源分布最大化。此外,設(shè)計人員應(yīng)利用最新一代LED背光控制IC里先進(jìn)的新功能,如脈寬調(diào)制調(diào)光相位延遲控制、電源電流檢測反饋以及根據(jù)既定串為任意數(shù)量的LED配置多個LED串和/或通道的功能。具有更佳額定電壓的IC現(xiàn)已面市,可直接在12V至24V電源下工作,并且可在50V時關(guān)閉。對于那些對電壓和LED電流要求更高的設(shè)計而言,可選擇驅(qū)動外置MOSFET的控制器,并可將其升級至能夠滿足當(dāng)今高級液晶電視背光應(yīng)用的要求。

 

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