自 2010 年代以來，液晶顯示器 （LCD） 背光中的冷陰極熒光燈 （CCFL） 逐漸被發(fā)光二極管 （LED） 取代。這是因?yàn)椴缓?LED 在散熱效率、顯色性和降低成本方面表現(xiàn)出色。

內(nèi)容

各家液晶電視廠商紛紛爭(zhēng)相采用LED背光技術(shù)實(shí)現(xiàn)液晶屏的低調(diào)化，希望在新一代家用電視到來之際，擴(kuò)大市場(chǎng)占有率。LED背光機(jī)型的市場(chǎng)滲透率一直在飆升，今天臺(tái)灣市場(chǎng)上大部分液晶電視都是LED背光的。

LED背光技術(shù)可分為兩類：直下式和側(cè)光式。用于直下式背光的 LED 可以是白色或 RGB。本應(yīng)用筆記將研究這兩種類型之間的差異以及系統(tǒng)角度的 LED 電源解決方案。例如，用于筆記本電腦的 4 通道 LED 驅(qū)動(dòng)器RT8510的功能框圖如圖 2 所示。上塊為升壓轉(zhuǎn)換器，提供 LED 串所需的電壓，下塊為恒流調(diào)光控制器。

圖 1. LED 液晶電視的功耗低于 CCFL 液晶電視

圖 2. LED 驅(qū)動(dòng)器RT8510的功能框圖

1. 側(cè)光式與直下式背光

背光模組作為液晶顯示器的光源，由光源、導(dǎo)光板和背光擴(kuò)散板等組成。隨著液晶電視和筆記本電腦的普及，開發(fā)重點(diǎn)是在系統(tǒng)中集成節(jié)能LED背光模組。應(yīng)對(duì)面板大型化、低調(diào)化的趨勢(shì)。

對(duì)于側(cè)光式 LED 背光技術(shù)，白光 LED 被放置在 LCD 的四個(gè)側(cè)面，光線從 LCD 面板和反射片之間發(fā)出，光線通過反射片反射到 LCD 面板的背面。導(dǎo)光板將光線均勻地分布在 LCD 的背面。這是目前最常用的LED背光技術(shù)，具有成本低、體積小等優(yōu)點(diǎn)。

圖 3. 側(cè)光式背光模塊

對(duì)于直下式背光技術(shù)，LED 以平面陣列的形式放置在導(dǎo)光板和 LCD 屏幕后面，光線直接發(fā)射到液晶顯示屏上。這種方法允許對(duì)屏幕上特定亮度區(qū)域的 LED 進(jìn)行快速局部調(diào)光，從而大大增強(qiáng)動(dòng)態(tài)對(duì)比度。但缺點(diǎn)是需要使用更多的LED，會(huì)增加產(chǎn)品成本，也會(huì)增加背光模組的厚度。白光 LED 最常用于 LED 背光，而對(duì)于一些高端型號(hào)，RGB LED 用于更廣色域的色彩再現(xiàn)。

表 1. 側(cè)光式和直下式背光技術(shù)比較

2. LED驅(qū)動(dòng)IC的重要特性

一般用戶在選擇LED驅(qū)動(dòng)IC時(shí)會(huì)考慮以下特點(diǎn)：

1.LED電流精度：LED電流由從ISET引腳連接到地的外部電阻RISET的值設(shè)置。該電流由電流鏡鏡像到電流源。理論計(jì)算得出的電流值與實(shí)際電流的誤差百分比稱為 LED 電流精度。

2.LED電流匹配：有很多方法可以配置陣列中的LED。如果 LED 串并聯(lián)，則通過每個(gè) LED 串的 LED 電流必須相互匹配。這將增加各種 LED 串之間的亮度均勻性。LED 電流通常與 LED 亮度成正比。

3.調(diào)光類型：調(diào)光已成為L(zhǎng)ED驅(qū)動(dòng)器的基本特征。它可以分為模擬調(diào)光和PWM調(diào)光。由于色度坐標(biāo)沒有偏移，PWM Dimming 可以實(shí)現(xiàn)更好的色彩再現(xiàn)。但是，它更容易受到可聽噪聲問題的影響。解決這個(gè)問題的方法將在以后的會(huì)議上提出。

4.LED電流線性度：對(duì)于PWM調(diào)光，輸出LED電流隨PWM占空比而變化。這兩者之間的關(guān)系被描述為線性。低 PWM 占空比和高 PWM 調(diào)光頻率會(huì)降低 LED 電流線性度。圖 4 顯示了RT8510 PWM 調(diào)光線性度。

圖 4. RT8510 PWM 調(diào)光線性度

3. 電源解決方案

當(dāng)今電視型號(hào)常用的電源架構(gòu)是 LLC 或反激系統(tǒng)為升壓或降壓轉(zhuǎn)換器提供直流電源，然后驅(qū)動(dòng) LED 陣列，LED 電流調(diào)節(jié)器將電流鉗制在所需的 LED 亮度。然而，近年來，LED陣列可以直接由LLC或Flyback系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)，而前一級(jí)的電壓可以通過控制器IC進(jìn)行調(diào)節(jié)。

圖 5 是一種電源解決方案的應(yīng)用示意圖。RT8525 _，在左側(cè)，作為 DC-DC 升壓轉(zhuǎn)換器，提供足夠的電壓來驅(qū)動(dòng) LED 陣列。RT8300 作為電流調(diào)節(jié)器，提供恒流和調(diào)光功能。DHC（動(dòng)態(tài)余量控制）連接這兩個(gè) IC 作為反饋控制。當(dāng)背光模組開啟時(shí)，LED的正向電壓Vf會(huì)因溫度升高而降低。如果輸出電壓保持不變，則 LED 1~4 引腳上的端電壓會(huì)增加。這將導(dǎo)致 RT8300 的功耗和溫度升高。因此，這將導(dǎo)致整體效率的下降和 IC 表面溫度要求的失敗。因此，必須有一種機(jī)制使升壓轉(zhuǎn)換器降低其輸出電壓。

圖 5. 電源解決方案的應(yīng)用示意圖

為此目的創(chuàng)建了動(dòng)態(tài)余量控制 （DHC） 功能。RT8300 將找出所有 LED 通道中 LED 1~4 引腳上哪個(gè)通道的端電壓最低，并通過圖 6 中的曲線鉗制所需的工作電壓。該電壓與 LED 電流呈線性關(guān)系。

圖 6. RT8300 的線性特性

如果該最低電壓通道的引腳電壓高于圖 6 中的相應(yīng)值，則 RT8300 V FB引腳將被設(shè)置為高電平。通過 R3 至 V REF，輸出電壓 （VLED） 將降低。反之亦然，如果引腳電壓過低，V FB引腳將被設(shè)置為低電平，輸出電壓將被拉高。圖 7 顯示了原理圖和相應(yīng)的方程，它們基于疊加定理。

圖 7. RT8300 DHC 原理圖

對(duì)于不同的應(yīng)用，其背光模組的瓦數(shù)會(huì)有所不同。通常，LCD 面板越大，提供所需亮度的 LED 陣列就越多。IC和功率器件的功耗將因此增加，這會(huì)降低熱性能。與筆記本電腦背光的電源解決方案相比，臺(tái)式機(jī)顯示器需要更大的功率。因此，最好將 MOSFET 連接到外部。對(duì)于更高瓦數(shù)的應(yīng)用，例如液晶電視，甚至電流源設(shè)備的驅(qū)動(dòng)器也將連接到外部，以降低 IC 的表面溫度。以下列出了適用于各種應(yīng)用的立锜 LED 背光電源解決方案。

圖 8. 適用于各種應(yīng)用的電源解決方案

4. 可聽噪聲問題的解決方案

所有電子產(chǎn)品都有關(guān)于可聽噪聲的規(guī)范。隨著便攜式電子產(chǎn)品的普及，其背光模組的噪聲規(guī)格也更加嚴(yán)格。當(dāng)應(yīng)用程序在 PWM 調(diào)光模式下運(yùn)行時(shí)，通常會(huì)出現(xiàn)可聽噪聲。噪聲主要來自諧振，由輸出電容、MLCC 和輸出電流開關(guān)引起。在 PWM 調(diào)光中，PWM LED 電流在重負(fù)載和零負(fù)載之間切換。負(fù)載的突變會(huì)增加輸出電壓的紋波。這種對(duì)人耳的漣漪是可聽見的噪音。圖 9 為RT8510調(diào)光時(shí)的波形圖。

CH1 = PWM， CH2 = Vout，ac， CH3 = VLX， CH4 = ILED

圖 9. RT8510調(diào)光時(shí)的波形圖

有很多方法可以解決聽得見的噪音問題。以下是一些供用戶參考的示例：

1.增加輸出電容值以減少輸出紋波：這種方法簡(jiǎn)單明了，但缺點(diǎn)是成本增加。

2.改變PWM調(diào)光頻率，避開可聽頻率范圍，約20 kHz。但是，缺點(diǎn)是調(diào)光線性度會(huì)受到影響。

3.混合模式：在較低的 PWM 占空比下，只需切換到模擬調(diào)光以減少可聽噪聲。

4.移相功能：在多通道驅(qū)動(dòng)IC中，依次開啟各通道，提高負(fù)載瞬態(tài)性能。

5.使用較大的OVP電阻：當(dāng)PWM關(guān)閉時(shí)，較大的OVP電阻會(huì)降低負(fù)載和輸出壓差，從而降低噪聲。

6.用降噪解決方案中的MLCC替換：輸出電容會(huì)影響紋波的大小。較大的波紋可能會(huì)導(dǎo)致層與層之間產(chǎn)生共振，從而產(chǎn)生噪音。降噪電容器在交叉電壓方面具有卓越的性能，即在較高的直流偏置下電容變化較小。圖 10 顯示了新（降噪）和傳統(tǒng)制造工藝之間等效 MLCC 電容的比較。

圖 10. 新型和傳統(tǒng)制造工藝之間 MLCC 等效電容的比較。

五、保護(hù)機(jī)制

通常，LED 驅(qū)動(dòng)器具有以下內(nèi)置保護(hù)機(jī)制：

1.SLP（Short LED Protection）：如果LED串中的任何LED在表面安裝時(shí)短路，則LED串的整體正向電壓Vf會(huì)較低，這將導(dǎo)致VLEDX端電壓較高。SLP就是檢測(cè)VLEDX電壓是否過高。對(duì)于某些型號(hào)，只有短通道會(huì)關(guān)閉，而對(duì)于其他型號(hào)，則要關(guān)閉驅(qū)動(dòng)電路。用戶可以通過 R SLP調(diào)整 SLP 電壓。

2.OLP（開路LED保護(hù)）：如果LED串中的任何一個(gè)LED接觸不良，無論是在組裝還是在使用中，OLP都是在上電時(shí)檢測(cè)VLEDX電壓是否過低，并發(fā)出相應(yīng)地發(fā)出警告信號(hào)。

3.OVP（過壓保護(hù)）：當(dāng)輸出電壓出現(xiàn)過壓時(shí)，OVP會(huì)通過分壓器進(jìn)行檢測(cè)。它將輸出電壓鉗位在 OVP 設(shè)置的電壓上，而不關(guān)閉電路。圖 12 顯示了 RT8300 的保護(hù)機(jī)制流程。

圖 11. RT8300 SLP 圖

圖 12. RT8300 保護(hù)機(jī)制流程

6. 3D/局部調(diào)光

近年來，3D 和局部調(diào)光的功能已融入高端電視機(jī)型。介紹如下：

1. 3D調(diào)光：

在 3D 模式下，由于 PWM 占空比降低，需要背光模組提供更高的亮度。人的左右眼所感知的圖像將交替顯示，以產(chǎn)生景深效果。圖 13 說明了 3D 調(diào)光功能圖。LED 驅(qū)動(dòng)器 RT-CVT 要求 3D 眼鏡快門與主板同步，以有效交替遮擋左右眼。

圖 13. 3D 調(diào)光功能圖

2. 局部調(diào)光：

這種方法用于高級(jí)模型以增強(qiáng)對(duì)比度。局部調(diào)光的黑色被認(rèn)為更暗，因?yàn)樵摬糠值谋彻庾儼盗恕Ｏ喾?，較亮部分后面的背光可以更亮。此后，局部調(diào)光具有消耗更少功率的優(yōu)勢(shì)。圖 14 顯示了 64 區(qū)域局部調(diào)光的示例。屏幕劃分的區(qū)域越多，局部調(diào)光的好處就越明顯。然而，權(quán)衡是控制的復(fù)雜性和成本會(huì)相應(yīng)增加。

圖 14. 64 區(qū)局部調(diào)光示意圖

對(duì)于局部調(diào)光應(yīng)用，常用 I2C 接口的有限帶寬已無法接受。例如，RT8302 是一款 4-CH Programmable Current Sink Led Driver，它使用 SPI Bus （Serial Peripheral Interface Bus） 作為信號(hào)傳輸接口。圖 15 為 RT8302 SPI 接口應(yīng)用示意圖。

圖 15. RT8302 SPI 接口應(yīng)用示意圖

圖 16 是 RT8302 讀/寫指令圖如下。

讀取指令：

寫命令：

圖 16. RT8302 SPI 讀/寫指令圖

7. 結(jié)論

LED 背光驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的架構(gòu)根據(jù)能源效率、成本降低和性能增強(qiáng)等各種要求而有所不同。然后應(yīng)相應(yīng)地更改驅(qū)動(dòng)器 IC。此外，要為 LED 燈串供電，電源解決方案應(yīng)隨應(yīng)用（電視/顯示器/筆記本電腦/平板電腦）而變化。最后，解決可聞噪聲、提高系統(tǒng)效率以及滿足所有組件的表面溫度要求也是客戶需要考慮的重要方面。