摘要:  LED背光源取代冷陰極管背光源已成為趨勢(shì),本文簡(jiǎn)要地介紹了LED的基本光電特性,并解釋了需要恒流驅(qū)動(dòng)LED及PWM調(diào)光的原因.在此基礎(chǔ)上,介紹了目前應(yīng)用在中大尺寸LCD背光上的幾種LED驅(qū)動(dòng)方案,并簡(jiǎn)要比較了各自的優(yōu)點(diǎn)和不足.

關(guān)鍵詞: LCD, 背光,LED, 恒流驅(qū)動(dòng),PWM調(diào)光,均流

1． LED背光源取代冷陰極管背光源已成為趨勢(shì)
面對(duì)全球環(huán)境保護(hù)意識(shí)日益高漲,產(chǎn)生了針對(duì)含有對(duì)環(huán)境有害物質(zhì)的電子產(chǎn)品的限制與歐盟電子電機(jī)設(shè)備中危害物質(zhì)禁用指令(Restriction of the use of certain hazardous substance in EEE, RoHS).因此全球各地液晶顯示屏(LCD)面板、模塊廠商均積極地尋求冷陰極熒光燈(Cold Cathode Fluorescent Lamp, CCFL)的替代解決方案.

與傳統(tǒng)CCFL背光源相比,LED除了因?yàn)椴缓檄h(huán)保要求之外,還具有色彩還原好、響應(yīng)速度快、節(jié)能、安全、壽命長(zhǎng)、體積小等優(yōu)點(diǎn).LED所具有的這些優(yōu)勢(shì),正吸引著越來(lái)越多的廠商開(kāi)始研制LED背光源, 在小尺寸的背光應(yīng)用中, LED背光源已經(jīng)基本取代了CCFL, 而成為背光源的主流, 而全球中大尺寸液晶屏模塊,特別是大屏幕液晶電視的大幅增產(chǎn)必然帶動(dòng)其背光的產(chǎn)量提升.在中大尺寸液晶屏的應(yīng)用中,LED背光源取代冷陰極管背光源也已成為趨勢(shì),未來(lái)必將成為L(zhǎng)ED產(chǎn)業(yè)增長(zhǎng)的熱點(diǎn).

與用在手機(jī)等便攜式產(chǎn)品上的小尺寸液晶屏的LED背光驅(qū)動(dòng)方案不同,當(dāng)液晶屏的尺寸逐漸增大時(shí),需要幾十甚至幾百個(gè)高亮度LED同時(shí)點(diǎn)亮以提供足夠的光源. 這往往意味著更高的驅(qū)動(dòng)電壓,更大的驅(qū)動(dòng)電流,更嚴(yán)格的散熱要求,更靈活的控制方式,更重要的是LED之間的電流匹配與均流.這就對(duì)中大尺寸液晶顯示屏的LED背光驅(qū)動(dòng)提出了更高的要求.

2．LED的基本光電特性及其驅(qū)動(dòng)器要求
在了解LED的基本光電特性的基礎(chǔ)上,電源驅(qū)動(dòng)才能匹配LED的特定需要,才能夠?qū)崿F(xiàn)更完善的驅(qū)動(dòng)策略.

LED實(shí)際上也是一種半導(dǎo)體器件.在LED的制造過(guò)程中,如圖1所示, 在3英寸的LED晶圓外延片上,可以制造出大約3萬(wàn)粒左右的5mm LED的芯粒,然后再進(jìn)行封裝,測(cè)試,分揀,最后才能夠得到可以使用LED產(chǎn)品.但在3英寸的外延片上制作的芯粒是可以分成很多BIN的．像藍(lán)色部分的芯粒是整塊外延片上比較好的芯粒,越往外芯粒越不穩(wěn)定,最外面的邊緣地帶的芯粒,是整個(gè)外延片上質(zhì)量最差的.所以實(shí)際上一塊LED外延片上的LED芯粒的前向?qū)妷褐怠⒉ㄩL(zhǎng)和光亮度都是不一樣的,因此可以分成很多的BIN.而不同廠家不同批次的生產(chǎn)過(guò)程中,由于在晶圓生成,切割,封裝等環(huán)節(jié)的環(huán)境不可能完全一致,在出廠前的得到的LED產(chǎn)品之間實(shí)際上存在著較大的差異.
最后在市面上出售的LED,實(shí)際上是廠家已經(jīng)按照波長(zhǎng)和光亮等,進(jìn)行篩選和分類(lèi)之后的結(jié)果.由于LED在導(dǎo)通時(shí),其電流的變化率遠(yuǎn)大于前向?qū)妷旱淖兓?因而測(cè)試其光學(xué)特性及分類(lèi)時(shí),大多基于一致的額定電流值(比如20mA或者350mA),再給出前向?qū)妷旱淖兓秶?這樣的結(jié)果,就是要獲得預(yù)期的亮度要求,并保證各個(gè)LED亮度、色度的一致性, 需要相同的驅(qū)動(dòng)電流.
同時(shí)為保證可靠性,驅(qū)動(dòng)LED的電流必須低于LED額定值的要求.而且,當(dāng)環(huán)境溫度升高時(shí)所允許的額定電流會(huì)降低.由此可見(jiàn),用LED為顯示器或其他照明設(shè)備做背光源時(shí),需要對(duì)其進(jìn)行恒流驅(qū)動(dòng),避免驅(qū)動(dòng)電流超出最大額定值,影響其可靠性.

由于LED出廠前的檢測(cè)及分類(lèi),只是基于一致的額定電流值,因而出售的LED在額定電流值附近區(qū)域,其光學(xué)特性會(huì)很一致.但在距離額定電流值較遠(yuǎn)的區(qū)域,即使用相同的驅(qū)動(dòng)電流,LED之間的光學(xué)特性也會(huì)出現(xiàn)較大的偏離.需要較低亮度時(shí),一般會(huì)直接減少通過(guò)LED的電流,這樣LED之間的亮度就可能存在很大的差異.比如,如果同樣用5mA的電流驅(qū)動(dòng)兩個(gè)額定值為20mA的LED,其總體亮度會(huì)減少,但兩個(gè)LED之間的亮度差異也會(huì)增加許多.中大尺寸LCD背光應(yīng)用中需要幾十甚至幾百個(gè)高亮度LED同時(shí)點(diǎn)亮,如果其流過(guò)的電流偏離LED的額定值太多,即使流過(guò)每個(gè)LED的電流是相同的,也會(huì)出現(xiàn)亮度不均勻的情況.實(shí)際的運(yùn)用中,一般采用PWM調(diào)光來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題.相對(duì)于模擬調(diào)光中直接控制流過(guò)LED的電流,PWM調(diào)光可以實(shí)現(xiàn)流過(guò)LED的電流保持在額定值,通過(guò)控制LED點(diǎn)亮或者熄滅的占空比來(lái)調(diào)節(jié)亮度,仍可以保持LED之間的亮度一致性.


3．中型尺寸的LED背光源驅(qū)動(dòng)方案
12英寸到17英寸的中型尺寸LCD主要應(yīng)用于便攜式DVD,筆記本及車(chē)載導(dǎo)航儀等的顯示.其背光應(yīng)用的LED驅(qū)動(dòng)策略是在小尺寸液晶屏的LED背光驅(qū)動(dòng)方案的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的,并且與目前的CCFL背光驅(qū)動(dòng)在接口上盡可能相兼容,用戶只需要將其背光源由CCFL燈管換成鋁基的LED發(fā)光條,同時(shí)將高壓復(fù)雜的交流驅(qū)動(dòng)器換成低壓簡(jiǎn)單的直流驅(qū)動(dòng)器即可,其綜合成本與傳統(tǒng)的CCFL背光模塊相比,已經(jīng)很接近.

與小尺寸LCD的LED背光相比較, 目前中型尺寸的LED背光方案中更多地只是增加了LED的數(shù)量, 并將串并聯(lián)后LED組作為一個(gè)整體負(fù)載來(lái)考慮,通過(guò)控制流過(guò)這個(gè)LED組的總體電流來(lái)調(diào)節(jié)LCD屏的亮度.

如圖2所示的LDO驅(qū)動(dòng)LED組是比較常用的驅(qū)動(dòng)方案.它充分利用了CCFL驅(qū)動(dòng)器所要求的12V的直流輸入電壓,通過(guò)外置的采樣電阻R1,設(shè)定輸出的總電流值,LDO即可保持輸出的總電流恒定,并且支持PWM調(diào)光.MAX16803可直接支持高達(dá)350mA的電流,外接BJT時(shí),總電流可以高達(dá)2A.其系列的MAX16804將PWM發(fā)生器也集成在芯片內(nèi)部,可直接支持模擬調(diào)光信號(hào),進(jìn)一步簡(jiǎn)化的電路設(shè)計(jì).LDO驅(qū)動(dòng)LED組最大的優(yōu)勢(shì)在于電路非常簡(jiǎn)單,而且基本沒(méi)有EMI的問(wèn)題,比較適合和LED燈組做在一起,直接放置在LCD屏內(nèi).其主要的問(wèn)題是效率比較低,因?yàn)檩斎腚妷汉蚅ED組所需要的實(shí)際驅(qū)動(dòng)電壓之間的電壓差都加在MAX16803這個(gè)LDO上,當(dāng)這個(gè)壓差比較大時(shí),不僅整體效率低,而且MAX16803發(fā)熱比較大.而且由于LED組內(nèi)部并聯(lián)的各LED串之間并不存在均流機(jī)制,只能依靠選擇前向?qū)妷罕容^一致的LED來(lái)盡可能地減少串與串之間電流分配不均的影響.


圖2 中型尺寸的LCD背光:LDO驅(qū)動(dòng)LED組

   為提高整個(gè)LED組的驅(qū)動(dòng)效率,用開(kāi)關(guān)電源代替LDO是最直接的方法,如圖3所示.相對(duì)于LDO的驅(qū)動(dòng),用開(kāi)關(guān)電源最大的好處是提高了整體的驅(qū)動(dòng)效率.MAX16819的輸入電壓在4.5V-28V,使得LED背光模組既可以兼容原來(lái)CCFL的輸入電壓,也可以由電池或者適配器直接供電,減少電源變換環(huán)節(jié),提高系統(tǒng)的整體效率.并且,此方案也直接支持PWM調(diào)光.跟LDO驅(qū)動(dòng)LED組一樣,即使用開(kāi)關(guān)電源驅(qū)動(dòng)LED組也無(wú)法從根本上解決各LED串之間電流分配不均的影響.

圖3 中型尺寸的LCD背光:開(kāi)關(guān)電源驅(qū)動(dòng)LED組

     LED組的總電流控制不能實(shí)現(xiàn)各個(gè)LED串之間的電流平均分配,即使選擇電氣參數(shù)較為一致的LED(這意味著LED成本會(huì)有大幅上升),在相同的驅(qū)動(dòng)電壓下,LED組中總導(dǎo)通電壓高的LED串,可能導(dǎo)通不充分;總導(dǎo)通電壓低的可能過(guò)導(dǎo)通,流過(guò)超出其額定值的電流,結(jié)果就是發(fā)光不太均勻而且有的LED可能會(huì)提前損壞.為消除這種隱患,可結(jié)合開(kāi)關(guān)電源與LDO各自的特點(diǎn),LED組的總供電由開(kāi)關(guān)電源來(lái)實(shí)現(xiàn),提高系統(tǒng)整體效率;每一串(即每一條支路)中串聯(lián)的LDO來(lái)檢測(cè)通過(guò)此支路LED中的電流,LED組共用的總輸出電壓與各LED串實(shí)際前向?qū)妷褐g的電壓差由串聯(lián)的LDO承擔(dān),從而實(shí)現(xiàn)各串之間的電流相同.如圖4所示,在每一個(gè)LED支路的回路中,MAX16807均內(nèi)置了一個(gè)LDO,根據(jù)通過(guò)的LED電流,可自動(dòng)調(diào)節(jié)輸入端口的電壓值,即每一串LED支路上的實(shí)際負(fù)載電壓,使之每條支路的LED電流均與設(shè)定的值一致.系統(tǒng)還可以通過(guò)I2C控制每一支路上LED的開(kāi)關(guān)及PWM調(diào)光的占空比.

     圖4 中型尺寸的LCD背光:開(kāi)關(guān)電源+LDO驅(qū)動(dòng)8串LED

4．大型尺寸的LED背光源驅(qū)動(dòng)方案
21英寸及其以上的LCD屏主要應(yīng)用于大屏幕液晶電視等的顯示.大屏幕液晶電視有更大的顯示面,并且要求更高的亮度,就需要使用更多的,更大功率的LED.對(duì)于驅(qū)動(dòng)而言,則必須保證給每條支路都能夠提供足夠的驅(qū)動(dòng)電流,并使各LED支路之間的電流能夠匹配.

MAX16809/MAX16810跟MAX16807有類(lèi)似的架構(gòu),但可直接驅(qū)動(dòng)16路LED支路,每路的電流可以達(dá)到55mA,每路的電壓也可達(dá)到36V,可直接驅(qū)動(dòng)224個(gè)紅色LED或者160 白光,藍(lán)光或者綠光LED.如圖5所示,對(duì)于大屏幕液晶電視的上千個(gè)背光LED的驅(qū)動(dòng)任務(wù)來(lái)說(shuō),是一個(gè)性價(jià)比較高的方案.

圖5 大型尺寸的LCD背光:MAX16809驅(qū)動(dòng)16串LED

另一種可行的方案是在整體亮度不變的前提下,增加單個(gè)LED的發(fā)光量,這樣可以減少LED的數(shù)目,提高系統(tǒng)的整體可靠性.比如用350mA的大功率高亮度LED代替20mA的小功率高亮度的LED,如圖6所示,用MAX5094將電壓升到近40V,然后用三片MAX16803分別驅(qū)動(dòng)紅,綠,藍(lán)色的單顆功率為1W的大功率高亮度LED串,每串可串聯(lián)10顆LED,并通過(guò)各自的PWM腳進(jìn)行數(shù)字調(diào)光,再將不同亮度的這三種基色進(jìn)行混光,可形成幾乎任意可控的色彩.

圖6 大型尺寸的LCD背光:開(kāi)關(guān)電源+LDO驅(qū)動(dòng)350mA的R G B 的LED串,  

5．小結(jié)及展望
LED背光源取代冷陰極管背光源已成為趨勢(shì),中大尺寸的LCD的LED背光驅(qū)動(dòng)在各方面的利好因素帶動(dòng)下,正穩(wěn)步推進(jìn).隨著高亮度LED的價(jià)格瓶頸漸漸打破,LED的光效不斷提升,LED的背光應(yīng)用將越來(lái)越普遍.而LED的驅(qū)動(dòng)方案,始終緊貼LED的特性,確保最大限度地發(fā)揮出LED的優(yōu)勢(shì),隨著LED的改變,也將不斷涌現(xiàn)出新的驅(qū)動(dòng)方案.


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