隨著成本和功率效率推動新系統(tǒng)架構的發(fā)展和克服設計挑戰(zhàn)，業(yè)內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)設計復雜性、元件成本和功率轉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背光驅動IC正力求解決這些挑戰(zhàn)，為液晶電視設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)成本和控制復雜性。
·側入式背光系統(tǒng)將LED在液晶面板側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20至50組LED。側入式背光優(yōu)勢在于更低的系統(tǒng)成本和復雜性。但由于液晶面板照射并非直入，因此對比度品質常常會與原先的CCFL系統(tǒng)一樣。側入式背光的一大優(yōu)勢在于它可用于替代幾乎不能調整背光系統(tǒng)信號或硬件的傳統(tǒng)CCFL。
設計挑戰(zhàn)和解決方案
直下式和側入式背光系統(tǒng)通常都會遇到的設計挑戰(zhàn)便是功率轉換效率及其相關散熱問題。目前市場上已有幾種液晶電視LED背光驅動集成電路可為這一問題提供技術解決方案。
所有液晶電視系統(tǒng)（包括直下式和側入式背光系統(tǒng)）設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)設計人員還需要確定達到規(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問題便是LED正向電壓(VF)以及因LEDVF差總值而導致的后續(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，因而導致的LED串電壓失配高達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節(jié)LED(VLED)電源的交流/直流(AC-DC)或直流/直流(DC_DC)升壓轉換器。每個LED通道電流阱的內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要求較低的相鄰通道而言，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設備電壓必須設置成超出所需水平，并會導致系統(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，設計人員必須對LED通道電壓差進行測量和*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到70mA至120mA時（常見于很多直下式背光應用），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。如果要進行8至12串LED驅動，LED電壓源將達到35V至45V之間，最新一代背光驅動器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通常可直接在這樣的電壓下工作。它們并不需要額外的本地降壓調節(jié)器，這樣可以節(jié)省設計時間、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串工作電壓遠大于控制IC的絕對最大額定值。對這些應用而言，控制IC可調節(jié)每個LED串的外部電流阱金屬氧化半導體場效應晶體管(MOSFET)。外部MOSFET有助于分散控制IC以外的功率損耗，并可調整大小來滿足系統(tǒng)需求。對于用在側入式背光燈條等地方的高壓LED串應用來說，VLED工作電壓最高可達到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電流控制。
圖5：配有外部MOSFET電流阱和可保護每個LED通道的高壓支柱型串聯(lián)MOSFET的IC背光驅動器圖示
用來安裝LED背光驅動器及其相應電路的印刷電路板(PCB)對實現(xiàn)最佳系統(tǒng)性能至關重要。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，它應被視作是一個復雜的電源管理系統(tǒng)中電路的一部分。電路板設計師發(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和導熱性能。這些外加層還為輸入電源供應器提供低阻抗路徑以及與高速數(shù)字數(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計時應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的高級液晶除外。這些傳統(tǒng)CCFL背光系統(tǒng)的設計人員常常沒有可用于多通道脈寬調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背光電流阱脈寬調制調光信號內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背光設計的液晶電視具有在120Hz到480Hz范圍內的簡單脈寬調制調光信號，并使用了可編程相位延遲。在這種情況下，一個側入式背光應用可使用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為設計人員帶來了更好的解決方案。在選擇LED背光控制IC時，應考慮以下系統(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電源設計應具有來自控制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，設計人員應利用最新一代LED背光控制IC里先進的新功能，如脈寬調制調光相位延遲控制、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時關閉。對于那些對電壓和LED電流要求更高的設計而言，可選擇驅動外置MOSFET的控制器，并可將其升級至能夠滿足當今高級液晶電視背光應用的要求。