驅(qū)動中型LED背光系統(tǒng)的集成方案

LCD背光的質(zhì)量影響著圖像的穩(wěn)定性、光度和顏色，因此可說是高檔顯示器中最重要的組件之一。在現(xiàn)今的背光照明設(shè)計中，LED正迅速取代CCFL技術(shù)。原因是LED對電壓的要求較低、而且簡單易用，調(diào)光能力強，不含水銀而且效率更高。隨著LED在光度和成本方面的不斷改進，它們逐漸應(yīng)用于較大型的LCD顯示器中。5英寸到15英寸的顯示器需要的不單是三個或四個的LED，而是動輒20個以上的LED陣列。

然而，驅(qū)動這么大的LED背光系統(tǒng)需要面對一系列的新挑戰(zhàn)。這些挑戰(zhàn)包括：為了維持均勻的亮度、色溫和較高的對比度，需要更精確的電流匹配；此外，還要減少功耗，以免影響效率、尺寸和整體的熱敏性能。當LED的電流被提升到數(shù)百毫安，并且要用較大的功率和流入電流源去驅(qū)動時，上述挑戰(zhàn)就顯得格外重要了。

大型LED背光系統(tǒng)要求的不單是一個恒流LED驅(qū)動器，而且需要一個集成背光控制器才能發(fā)揮出現(xiàn)今LED技術(shù)的潛能，以滿足LED顯示器的品質(zhì)要求。

典型的背光應(yīng)用
雖然有些LED(例如一般照明應(yīng)用)可能只簡單地用一個配備有電流整定串聯(lián)電阻的穩(wěn)壓電壓源來驅(qū)動，但事實上LED最好還是采用一個恒定電流源來驅(qū)動比較好。LED的亮度是電流而非電壓的一個函數(shù)，而且每個LED的電流在同一正向電壓(Vf)下都可能有明顯的差別。為了使LED呈現(xiàn)出最好的亮度和色彩，所有LED必須用相同大小的電流來驅(qū)動，而無須理會其Vf。最理想的情況是所有在背光系統(tǒng)上的LED都可排列成一行，這樣它們的電流便會一樣，從而省略電流匹配的麻煩?？墒?，大部份的背光系統(tǒng)都需要超過30個的LED，以典型Vf 為3.5V的LED為例，便可能需動用100V升壓轉(zhuǎn)換器來驅(qū)動。此外，LED經(jīng)常會發(fā)生故障，假如燈串中有任何一個LED發(fā)生故障，那整個顯示器便會熄滅。

因此，更實際的做法是將LED并排成兩串。這樣所需的升壓便可較低，而且就算是一個LED出現(xiàn)故障都不會影響到整個燈串。不過，假如一次需要驅(qū)動多個并排的LED燈串時，那必須確保每串上的LED都享有相同的正向電流(行到行的電流匹配性)。此外，每一條并排通道都會在電流調(diào)節(jié)器內(nèi)產(chǎn)生相關(guān)的功耗損耗，換句話說，并排的燈串數(shù)量愈多，那效率便會愈低而且整體的尺寸也會愈大。

最穩(wěn)妥方法是驅(qū)動最少量的并排LED燈串，在每一條燈串上的連接升壓轉(zhuǎn)換器所能承載的最多的LED燈。每個燈串上能連接的LED數(shù)量取決于升壓轉(zhuǎn)換器的最大啟動時間和電壓限制。

需要注意的是大部份的背光驅(qū)動器都包含有獨立的升壓轉(zhuǎn)換器和電流調(diào)節(jié)器。正如圖1所示，驅(qū)動器被安排來驅(qū)動數(shù)個并排的LED燈串。

圖1 典型的LED背光驅(qū)動器

電路中的升壓級產(chǎn)生的電壓將LED燈串正向偏置，同時電流調(diào)節(jié)器確保流經(jīng)每個LED燈串的電流都是穩(wěn)定和相同。

我們現(xiàn)在討論的這種背光系一般都需要20～40V的電壓，具體的電壓值取決于LED的數(shù)量和類型。例如，大部份的系統(tǒng)都是用一個12V電軌的電源來供電，并且在150mA下驅(qū)動24個LED。這樣的系統(tǒng)會被安排成并排三行每行八個的LED串，而標稱的正向電壓為28V。這要求對于現(xiàn)今大部份的升壓轉(zhuǎn)換器來說都應(yīng)付有余。

正向電壓的調(diào)節(jié)

對于”升壓加電流調(diào)節(jié)器”這個結(jié)合方案來說，有兩個主要的因素可影響其效能，這便是效率和可產(chǎn)生噪聲的拓撲。我們先考慮效率的問題。不管LED燈串的正向電壓如何，升壓轉(zhuǎn)換器必須能提供一個夠高的電壓才能將所有的LED燈串正向偏置。一個典型的白光LED在150mA下的Vf會處于0.3V范圍內(nèi)。因此，由八個LED組成的燈串的正向電壓可能有4.8V的差異。為了確保每個并行的燈串都有足夠的正向電壓來驅(qū)動，升壓轉(zhuǎn)換器必須能發(fā)送出最大的電壓?？墒?，將電壓提升到最高的水平會降低效率，原因在于它會從LED燈串底部的電流控制器耗散更多的功率。我們繼續(xù)結(jié)合圖1的應(yīng)用來說明這個問題。用150mA驅(qū)動三行每行八個的LED燈串所需的VA電壓(升壓輸出)為3.8V8+1V=31.4V。其中，假設(shè)最大Vf為3.8V，并且還需要1V來避免電流調(diào)節(jié)器到達飽和。假如LED在典型的3.5V Vf下運行，電流調(diào)節(jié)器內(nèi)的功率損耗便等于3個燈串(31.4V-28V)0.15A= 1.53W。因此，真正供給LED的電力只有0.15A28V3=12.6W。比較之下，系統(tǒng)僅在電流調(diào)節(jié)器上便損失了12%的效率。

LM3431作為一個背光照明系統(tǒng)專用的驅(qū)動器，內(nèi)部同時集成有升壓和恒流調(diào)節(jié)功能，因此不會出現(xiàn)上述因電流調(diào)節(jié)而產(chǎn)生的效率下降問題。圖2為一個簡化了的背光驅(qū)動器電路。

圖2 LM3431 LED背光驅(qū)動器

LM3431的升壓轉(zhuǎn)換器是用來調(diào)節(jié)電流調(diào)節(jié)器的電壓VC，而不是調(diào)節(jié)LED燈串的頂部。在這個方案中，升壓轉(zhuǎn)換器只需發(fā)送LED燈串所需的電壓，就可減低在電流調(diào)節(jié)器內(nèi)的功率耗散。與此同時，LED的陽極電壓(VA)會隨著LED燈串的Vf而變化，所以必須進行調(diào)節(jié)才能為每一個燈串提供足夠的正向電壓。

雖然，系統(tǒng)可能擁有數(shù)個LED燈串，但卻只有一個電壓反饋節(jié)點。LM3431被設(shè)計成每一個LED燈串都經(jīng)二極管連接到陰極反饋引腳(沒有在圖2中表示出來)。因此，可在最低的節(jié)點處監(jiān)視陰極電壓。這樣，不管Vf如何變化都可確保所有燈串均有足夠的凈空，
在設(shè)計當中，電流調(diào)節(jié)器必須夠大才能在印刷電路板上提供足夠的銅散熱面積。因此，圖1電路的拓撲便需要更多的空間來為電流調(diào)節(jié)器散熱。LED本身的散熱設(shè)計就很有挑戰(zhàn)性，現(xiàn)在再加上從驅(qū)動器散熱問題，真可謂雪上加霜。由于LM3431需驅(qū)動外部晶體管來調(diào)節(jié)LED的電流，故封裝的尺寸完全可根據(jù)應(yīng)用所要求的功率水平來調(diào)節(jié)。圖1中的應(yīng)用在典型條件下每通道功率損耗為0.15W，如果我們假設(shè)最高的環(huán)境溫度為80℃，而NPN管的最高工作溫度為150℃，那我們便可計算出NPN的最高熱電阻為137℃/W。一個典型的SOT-89 NPN器件的熱電阻為104℃/W，這可說是一個合理的選擇(雖然有點熱)。然而， LM3431在典型條件下的每通道功率損耗為0.18W，所需的最大熱電阻為389℃/W，因此可選用SOT-23封裝。比較兩種封裝的面積，前者為 4.5mm4mm，而后者僅為2.9mm2.3mm。

高對比度PWM調(diào)光

PWM調(diào)光是控制LED亮度的最優(yōu)方法。其原理是LED的正向電流會在一個固定的電平處出現(xiàn)脈沖，可以通過調(diào)節(jié)該脈沖的工作周期以控制亮度。這個方法不僅可提供一個穩(wěn)定的色溫，而且還可在整個LED亮度級范圍內(nèi)提供可預(yù)知的Vf。然而，100MHz是最低的可用調(diào)光頻率，否則便會出現(xiàn)肉眼可見的閃爍。LM3431可接受介乎25kHz～ 100MHz之間的任何一個頻率的調(diào)光信號，最低的啟動時間為400ns。

現(xiàn)今有不少像CCFL的背光技術(shù)都是采用一個模擬電平電壓信號來控制亮度。為了與這些調(diào)光系統(tǒng)兼容，LM3431內(nèi)置有一個PWM調(diào)制器，它可以接受一個電壓電平輸入并能將它轉(zhuǎn)換成一個PWM信號，并通過外部的電容器編程來調(diào)節(jié)PWM調(diào)光頻率。在這種模式下，PWM工作周期便可在250mV～2.5V的范圍內(nèi)隨著電壓線性地增加。配合這個方法，現(xiàn)行采用CCFL類電壓調(diào)光信號的電路便可與LM3431一起使用，并依照建議的方式來為LED調(diào)節(jié)光度。

在PWM調(diào)光期間，電路會出現(xiàn)高壓擺率的負載瞬態(tài)，并且隨后在VA和VC的節(jié)點處出現(xiàn)一個瞬態(tài)電壓響應(yīng)。在這里有些人可會認為現(xiàn)在的設(shè)計重點是LED電流而并非電壓瞬態(tài)，只要瞬態(tài)下沖不低至使電流調(diào)節(jié)器飽和，那便不會出現(xiàn)問題?？上н@個看法是錯的。首先，要確保沒有飽和即意味需要更多的凈空和進一步加大功率的損耗。其次，PWM調(diào)光頻率一般介乎100～500Hz，有時可能高達1kHz，這些都處于耳朵可聽到的頻率范圍內(nèi)。在這種頻率下的負載瞬態(tài)常會出現(xiàn)一種副作用，即從陶瓷電容器中發(fā)出可聽噪聲。流經(jīng)電容器的電壓變化會產(chǎn)生物理上的膨脹和收縮效果，這效果可以大到產(chǎn)生出人耳可聽見的“吱吱”聲響。為了消除這個可聽見的噪聲，需要對一個典型升壓轉(zhuǎn)換器的輸出額外加上輸出電容。雖然，這樣做可獲得一個非常穩(wěn)定的輸出電壓，但卻降低了功率和增大了電路板體積。

LM3431將PWM調(diào)光功能與升壓轉(zhuǎn)換器結(jié)合，可以解決這個調(diào)光問題。在每一個PWM調(diào)光信號的邊緣，都會在升壓控制環(huán)路中加插一個電壓降。這作法會使COMP引腳的電壓改變(錯誤放大器輸出)并使得升壓轉(zhuǎn)換器可將VA電壓推高至負載瞬態(tài)預(yù)期的電平。

圖3 LM3431在調(diào)光期間的VA和VC電壓

圖4 “升壓加電流調(diào)節(jié)器”的結(jié)果

這種系統(tǒng)可視為前饋，由于負載信息在瞬態(tài)發(fā)生前已被送到升壓控制環(huán)路，因此控制環(huán)路便可對LED的電流變化做出即時的反應(yīng)。然而，所施加的前饋大小可由用戶調(diào)節(jié)，電壓步級可以根據(jù)系統(tǒng)的環(huán)路響應(yīng)和每個應(yīng)用的負載要求而進行微調(diào)。經(jīng)過上述的處理后，LM3431的集成調(diào)光系統(tǒng)的瞬態(tài)響應(yīng)便大大得到改善，在一般情況下只需動用單一個陶瓷輸出電容器便可。圖3及圖4分別表示出LM3431和圖1“升壓加電流調(diào)節(jié)器”方案的瞬態(tài)性能。兩者都同樣使用了一個陶瓷輸出電容器。圖4產(chǎn)生出很明顯的可聽噪聲，并且需要額外加上1V來增加VA以避免在瞬態(tài)期間使NPN飽和。

在LED電流和PWM調(diào)光信號的下降邊緣會出現(xiàn)一個卸載瞬態(tài)，對于任何的開關(guān)穩(wěn)壓器來說，這種卸載瞬態(tài)都比負載瞬態(tài)更難以控制，但LM3431在這方面卻應(yīng)付自如。

首先，相同的前饋信號會以相反的方向施加給控制環(huán)路。因此升壓轉(zhuǎn)換器便可預(yù)知卸載瞬態(tài)的發(fā)生，并且在LED熄滅時維持一個固定的VA電壓。在PWM調(diào)光的LED熄滅期間，VC節(jié)點(一般是提供電壓反饋給升壓轉(zhuǎn)換器)沒有被調(diào)節(jié)，僅僅是一個開路。這個節(jié)點實際上不會一路上升到VA，然而它并不是反饋的有效節(jié)點。為了讓VC反饋系統(tǒng)產(chǎn)生作用，要加上第二個反饋環(huán)路。但第二反饋環(huán)路只是在LED熄滅時才會運行。在LED點亮期間，LM3431通過VA反饋節(jié)點為輸出電壓取樣，而這個抽取回來的電壓會被保留在外部的“樣品”電容器并作為LED熄滅期間的參考電壓。當有PWM信號令LED熄滅時，升壓轉(zhuǎn)換器會將輸出電壓維持在先前于LED點亮期間所抽取樣品的電平。隨著LED的Vf改變，取樣點亦會改變，同時VA電壓會按每一個PWM周期的要求而變化。這種取樣/保留系統(tǒng)可穩(wěn)定輸出電壓，并且在減少引致可聽噪聲的瞬態(tài)電壓步級的同時為輸出電壓提供良好的調(diào)節(jié)。我們可看見圖3中的VA波形在LED亮著和熄滅周期之間的位移少于100 mV。圖5所示為這種系統(tǒng)的基本元素，當中包含有兩條電壓反饋路徑、一個參考電壓和取樣電容器，以及一個前饋控制和LED電流控制器。

圖5 雙模式反饋系統(tǒng)的框圖

前饋控制的一個顯著優(yōu)點是可提高對比度。由于在VA節(jié)點的瞬態(tài)下沖已減到最小，即使調(diào)光的周期很短都可準確地為電壓取樣。結(jié)果，就是在較低的調(diào)光頻率下，系統(tǒng)可輕易地達到1000:1的對比度。圖6所見為在調(diào)光期間的典型VA和LED電流波形。在對比度1000:1下的LED開動時間沒有出現(xiàn)性能下降，而且我們還可看到快速的上升時間、最小的電流下沖和的完全受控的VA電壓。

圖6 高對比度的調(diào)光

靈活的高速電流控制器
LM3431 LED電流控制器包含有三個帶有外部參考電壓設(shè)定的2MHz帶寬運算放大器。這三個內(nèi)部電流控制器每一個都連接到同一個的參考電壓(圖5所至為一個經(jīng)簡化的電路)。該三個運算放大器會按照PWM調(diào)光信號開動和關(guān)閉，并且能夠驅(qū)動超過10V/μs的壓擺率。根據(jù)選用的NPN，LED電流壓擺率甚至可超過1A/μs。為了增加靈活性，驅(qū)動器還能夠以一個高至6V的柵極驅(qū)動電壓來驅(qū)動N溝道的FET。

LM3431能夠驅(qū)動大部份燈串電流在20～500mA的背光照明系統(tǒng)，運算放大器的參考電壓(非反向輸入)可用一個連接有可用參考電壓的分阻器來調(diào)節(jié)。其可在工作溫度范圍內(nèi)達到2%的精確度。運算放大器的參考以一個輸入引腳的形式提供，所以假如要求更高的精度，便可使用外部的精密參考。再一次強調(diào)，這方法的靈活性極高，因為它可根據(jù)不同的應(yīng)用而進行優(yōu)化，從而獲得最優(yōu)的效率、精度和LED電流電平。此外，三條通道之間的偏置被嚴格地控制，以保證每個LED燈串之間的電流能配合得準確無誤。

對于PWM調(diào)光性能的高低，另一個量度標準便是調(diào)光的線性度，亦即是平均的LED電流與DIM信號輸入的匹配性。這很大程度上與驅(qū)動器相關(guān)，但也會受到NPN速度和升壓轉(zhuǎn)換器響應(yīng)的影響。

圖7 低紋波和無過沖的LED電流

基于驅(qū)動器優(yōu)良的性能和受到良好控制的瞬態(tài)響應(yīng)，LED電流展現(xiàn)出很低的紋波而且沒有出現(xiàn)過沖。圖7為一個在10mA電流下的LED電流上升和下降邊緣，其峰值LED電流為150mA。

LED故障防護
LED背光系統(tǒng)的故障比較容易預(yù)測，例如開路LED故障或連接器故障等。因此，LED的故障防護可以設(shè)計得比較智能化，使其相對耐用，并盡可能維持運行時間。通常，這種防護都是通過離散電路來實現(xiàn)的。

LM3431集成有幾個智能型的LED故障防護功能，除了傳統(tǒng)的過壓和過熱防護外，LM3431還可對開路LED、LED燈串短路和任何有可能發(fā)生的背光故障進行嚴密的監(jiān)視?；旧希收蟼蓽y都是在VC節(jié)點處加入第二個連接來達成，稱之為SC。至于故障響應(yīng)的快慢則視乎所偵測的故障種類而定。