LED驅(qū)動器提高TV背光能效技術(shù)解析

　　根據(jù)加州能源委員會的資料，現(xiàn)今一臺電視平均消耗一戶家庭約8—10%的用電量，由此觀之，能源效率顯然已成為電視供應(yīng)商重要設(shè)計參數(shù)之一，未來電視能源效率的相關(guān)規(guī)范勢必也更加嚴格。

　　為有效降低電視功率消耗，制造商須達到法定能源效率基準，而較可行方法是采用LED背光的液晶顯示器(LCD)技術(shù)；其他如電漿電視的缺點在于每個像素都是活躍的光發(fā)射體，加上能量消耗與像素數(shù)量成正比，因此在相同亮度與解析度下，高畫質(zhì)電漿電視平均消耗的能量約為LCD液晶顯示器的二至三倍。

　　目前新型的LED驅(qū)動電路設(shè)計技術(shù)，可有效節(jié)約主要功率消耗，讓電視制造商能滿足嚴苛的功率消耗需求，但若要在未來數(shù)年內(nèi)達到必需的功率消耗目標，現(xiàn)今LED背光液晶電視仍會面臨諸多困難。

　　電視功率消耗標準日趨嚴格

　　首先針對電視功率消耗做出規(guī)定標準的是美國環(huán)保署于2008年啟動的“能源之星”v3版本，此一4.0版本系2010年5月1日生效，該版本不僅將功率消耗限制降低約40%，也規(guī)范出最高亮度輸出下的對比度功率消耗上限，能有效防止供應(yīng)商誤導(dǎo)消費者。接著，在2011年9月30日生效的5.3版本又再次降低功率消耗限制。由此可見，當每次新修訂的法律條文進一步降低電視能源消耗時，對于大尺寸電視的制造商更是嚴格的挑戰(zhàn)。

　　不過，自發(fā)性高且極具影響力的“能源之星”并非電視功率消耗的唯一規(guī)范。事實上，美國加州能源委員會也于2011年初至2013年間執(zhí)行相關(guān)有效標準，禁止未達到功耗標準的電視在當?shù)劁N售。此外，圖1顯示的是電視功率消耗標準的變化，以及2011年LG影院3D電視實際的消耗功率。

　　圖1　電視功率消耗范圍示意圖

　　LED背光劃分直接/間接模式

　　LED背景燈的能源有30%至70%是來自LCD液晶電視的電源系統(tǒng)，此與許多傳統(tǒng)電源系統(tǒng)設(shè)計一樣，只要逐步改善能量消耗，就可累積成極大的進步。因此，改善背光電源電路，便能大幅提升系統(tǒng)的能源效率。

　　LED背光照明有兩種應(yīng)用方法，如圖2所示：

　　圖2　LCD液晶電視可采用兩種LED背光照明設(shè)計。　　．間接背光照明

　　間接背光照明中，LED配置在螢?zāi)贿吘壱援a(chǎn)生均勻統(tǒng)一的光線。該配置能讓LED即使在最大的40寸電視螢?zāi)灰材苡芯鶆蚬庠?，且背光單元厚度僅5？10毫米(mm)。

　　．直接背光照明

　　直接背光照明系統(tǒng)中，LED燈直接配置在LCD后面，可讓電視具備低功率消耗、高散熱功能外，還能具不受螢?zāi)怀叽缦拗频牧己醚诱剐?，雖然這種面板比間接照明方案要厚，但若采用此種照明配電，最新技術(shù)可使螢?zāi)贿_到僅8毫米的厚度。直接背光照明最大優(yōu)點在于能夠精準為局部調(diào)光，同時也降低功率消耗并提高動態(tài)對比度。

　　采用多串聯(lián)電路混合架構(gòu)　LED照明系統(tǒng)兼顧節(jié)能/成本

　　系統(tǒng)架構(gòu)的好壞不僅是LED背光驅(qū)動設(shè)計的重要因素，也是節(jié)能最關(guān)鍵的所在。設(shè)計人員正尋求局部控制LED燈串與物料成本間最佳的平衡，控制越多單位的LED，越能降低功率消耗。以下將說明各種串聯(lián)電路架構(gòu)及搭配的電源管理方案。

　　單串聯(lián)/單DC-DC轉(zhuǎn)換器

　　舉例來說，開關(guān)模式電源(SMPS)的高效直流對直流(DC-DC)轉(zhuǎn)換器，系為串聯(lián)的背光LED燈組提供電壓；此外，如圖3所示，燈串尾端則是通過電流槽(Current Sink)調(diào)節(jié)的電流，而電流槽電壓須略高于額定電壓，才能確保LED收到指定電流，降低功率耗損。

　　圖3　單串聯(lián)/單DC-DC轉(zhuǎn)換器背光系統(tǒng)架構(gòu)

　　一般而言，電源通用設(shè)計原理是在電流阱到SMPS間使用反饋回路調(diào)節(jié)，但這種反饋回路必定會在兩個LED之間的正向電壓(Vf)變動。白光LED的標準正向電壓約為3.2伏特(V)，而最高電壓范圍為每LED±200毫伏特(mV)，因此在一條由十個LED組成的串聯(lián)電路中，VLED的總電壓為30？34伏特。

　　DC-DC轉(zhuǎn)換器所需的電壓為：

　　VDC-DC=VLED+VSINK； VLED=n*Vf(LED)

　　由于VSINK的電壓為0.5伏特，所以ILED SINK不僅必須將VDC-DC調(diào)節(jié)在30.5？34.5伏特之間，還須考慮LED實際正向電壓。

　　多串聯(lián)電路/多DC-DC轉(zhuǎn)換器

　　基于串聯(lián)的LED數(shù)量與所需輸出電壓成正比，因此單一串聯(lián)LED燈組是不夠的。除此之外，若超過一定輸出/輸入電壓比率(VOUT/VIN Ratio)，會導(dǎo)致SMPS效率急遽下降。綜上所述，LED背光設(shè)計人員須要使用多個串聯(lián)電路，以避免SMPS輸出電壓過高。

　　從圖4可見，最簡單的方法是復(fù)制單串聯(lián)/單DC-DC轉(zhuǎn)換器拓撲，讓每個串聯(lián)電路電壓各自調(diào)節(jié)以提升效率。但如此一來，所有串聯(lián)電路也得各自配備DC-DC控制器、金屬氧化物半導(dǎo)體場效電晶體(MOSFET)、線圈、二極體和輸出電容等材料，總體物料成本也會隨之提高。雖然設(shè)計人員或許為求解決問題而減少LED通道數(shù)量，并將所有LED串聯(lián)，不過仍會影響系統(tǒng)的局部調(diào)光；反覆權(quán)衡后，這種拓撲結(jié)構(gòu)顯然不是最佳解決方法。

　　圖4　LED串聯(lián)電路各包含獨立DC-DC轉(zhuǎn)換器，將是一種較高成本的方案。　　采用單DC-DC轉(zhuǎn)換器的多串聯(lián)電路

　　然而，另一種更激進的方法是采用單DC-DC轉(zhuǎn)換器的多串聯(lián)電路拓撲(圖5)，該方法的缺點是SMPS電壓須調(diào)節(jié)到比最高正向電壓高，但同時表示電流槽的電流必須消散多余電量，這不僅會產(chǎn)生多余熱量，而且也會降低效率。

　　圖5　單DC-DC轉(zhuǎn)換器同時服務(wù)多個LED串聯(lián)電路，會導(dǎo)致其無法充分利用SMPS電壓。

　　多串聯(lián)電路混合架構(gòu)

　　該架構(gòu)不僅結(jié)合上述提到的多串聯(lián)電路/多DC-DC轉(zhuǎn)換器架構(gòu)元件，也是效率和成本之間的最佳平衡(圖6)。藉由這個方案能局部調(diào)節(jié)直接背光照明系統(tǒng)，并有效控制DC-DC輸出電壓，因此可以提供最佳能源消耗。此外，圖1由LG提供3D電視32LW550S、42LW650S、47LW650S、55LW650S的數(shù)據(jù)，顯示該拓撲結(jié)構(gòu)能讓LCD電視達到高效率。同時，此方案比起多串聯(lián)電路/多DC-DC轉(zhuǎn)換器架構(gòu)更能節(jié)省物料成本。

　　圖6　混合架構(gòu)能降低物料成本，同時提升轉(zhuǎn)換效率。

　　LED亮度/色溫仰賴調(diào)節(jié)電流

　　上文提到白光LED的正向電壓波動是LED制造技術(shù)的特點，這也造成不同LED在亮度與色溫的廣泛變化，因此白光LED制造商會根據(jù)顏色、亮度和正向電壓的不同，對產(chǎn)品進行分組，將類似產(chǎn)品歸為一類。

　　不過，電流必須調(diào)節(jié)為特定額定電流，才能形成標準亮度/色彩的LED，所以制造商對亮度和色溫的規(guī)格說明僅在精確標準運作的條件下有效；在類比調(diào)光中，LED會在標準額定電流之外運作，導(dǎo)致其無法接受色溫變化而使亮度調(diào)配不佳。

　　準確調(diào)節(jié)電流　電流槽精準度至關(guān)重要

　　LED須要精確調(diào)節(jié)的恒流電源，其驅(qū)動器的工作是在開關(guān)打開時將電流設(shè)為額定值，并在關(guān)閉時保證電流為0安培(A)；負責準確調(diào)節(jié)電流的反饋回路則需要極其精準的電流槽。如圖7，雖然電流槽有許多種，但因背光電視的電流調(diào)節(jié)要求精準度誤差須小于0.5%，因此須使用主動運算放大器設(shè)定LED的電流(ILED Current)，才能進一步獨立設(shè)定其電壓(ILED Voltage)。換句話說，使用極精確的運算放大器并不難，但當背光驅(qū)動運作中，電流槽的電壓降得很低時就難以精準調(diào)節(jié)電流。

　　圖7　電流槽裝置：精確的電流槽須要使用高精度且偏移補償?shù)倪\算放大器。

　　有鑒于此，電源晶片商如奧地利微電子(ams)設(shè)計的精準電流槽LED驅(qū)動器，可達成電流槽驅(qū)動器需要最低的漏極電壓(VDS(sat))，以確保飽和區(qū)域內(nèi)電流槽電晶體能準確運作，至于飽和區(qū)域主要為柵源電壓控制輸出電流所應(yīng)用。

　　此外，VSET和VDS之間的電壓降必須處于低水平，才能提高電流槽的效率。由于LED驅(qū)動器內(nèi)建偏移補償功能，因此可將VSET維持在125？250毫伏特的低水平，同時為高于VDS(sat)的VDS提供150毫伏特的額外電壓差，如此電流槽總計可達到約400毫伏特的電壓降。另外，電流槽若由8個LED構(gòu)成串聯(lián)電路(Vf=8×3.2=25.6伏特)，其電流功率消耗損失約為1.5%；若背光LED驅(qū)動器沒有包含偏移補償功能，則VSET值將提高，進而導(dǎo)致電流槽功率損失更多。

　　內(nèi)建PWM/SPI　LED驅(qū)動器調(diào)光效果躍升

　　如上所述，從LED驅(qū)動器到SMPS的反饋回路會使漏電壓處于最低值。從圖8的左圖可見，輸出電流槽可采用簡單明確的電流輸出驅(qū)動器與外部電容器，也能如同圖8中的右圖使用數(shù)位控制電路設(shè)定釋放次數(shù)，并通過數(shù)位類比轉(zhuǎn)換器輸出電流(IDAC)。以上這兩種方法不僅皆能達到高效率，也可搭配各種電壓反饋的SMPS，依混合架構(gòu)的需求，從多個驅(qū)動器附加反饋線路至同一個SMPS。

　　圖8　反饋回路傳送到SMPS的不同方法

　　除此之外，數(shù)位化應(yīng)用有一些獨特優(yōu)勢，不僅不需要輸出電容器，還能讓設(shè)計人員自由定義反饋系統(tǒng)的啟動與衰變次數(shù)，若選用涵蓋衰減潛伏期及相對較慢衰減的快速啟動次數(shù)，將能改善顯示器的表現(xiàn)。而這種優(yōu)勢在須要迅速改變亮度的場景表現(xiàn)最為明顯，能用來快速消除螢?zāi)粡陌抵寥吝^程中可察覺的亮度瑕疵。圖9是亮度轉(zhuǎn)換的普遍案例，左邊類比方案在LED輸出會在短時間內(nèi)變暗，造成螢?zāi)辉龠_到下一次全亮之前會明顯地延遲。

　　圖9　右邊的數(shù)據(jù)反饋回路較左邊的模擬反饋回路，能更快由暗到亮轉(zhuǎn)換。

　　由于電影和其他影片內(nèi)容是由大量的動態(tài)畫面構(gòu)成，因此很容易讓觀眾注意力分散。如能在衰變指令中嵌入上百毫秒的延遲，即可讓數(shù)位調(diào)節(jié)電路中的瑕疵消除。這表示因為驅(qū)動器自動延遲電壓的斜線下降，變亮過程被一系列短暫變暗過程打斷，因此第二個變亮過程將從全亮開始。

　　另一個在LED驅(qū)動器晶片中有用的整合功能是串列式周邊介面(SPI)。其中，LED以大量相對較短的串聯(lián)組成直接背光電視，能讓較小區(qū)塊的面板變暗以節(jié)約能源，通常這種組合包含16×16矩陣所排列的兩百五十六通道，且每個LED均由脈沖寬度調(diào)變(PWM)單獨配置；但要產(chǎn)生兩百五十六個含可變PWM寬度與延遲訊號的通道，即使是對速度最快的微控制器(MCU)來說，依然是個極大任務(wù)。

　　因此，透過這些背光系統(tǒng)能將局部PWM發(fā)生器整合至LED驅(qū)動器晶片，這就可以用簡單的SPI數(shù)據(jù)傳輸來控制亮度(圖10)。在十六個個別包含十六通道多驅(qū)動晶片構(gòu)成兩百五十六通道的架構(gòu)中，LED通道不僅可以菊鏈SPI訊號方式配置，還可以傳輸用于VSYNC到前一幅的數(shù)據(jù)。

　　圖10　SPI傳輸及可程式PWM發(fā)生器

　　在這種組合中，以400Hz幀速率下通過SPI數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俣瓤梢赃_到20Mb/秒或50kb/幀。有了能夠彌補局部PWM發(fā)生器延誤、高峰和時段的延遲，就能在更短時間內(nèi)依實際需求將各區(qū)調(diào)暗，因此能以最低的微控制器成本達到理想的局部調(diào)光效果。

　　善用環(huán)境光感測器　LED智慧調(diào)光應(yīng)用更多元

　　事實上，這種局部調(diào)光技術(shù)僅適用于直接背光照明系統(tǒng)，但仍能應(yīng)用在針對一定數(shù)量智慧調(diào)光的邊緣照明，特別是在保持白光LED色溫不變的情況下，PWM調(diào)光可調(diào)整亮度。值得注意的是，在該方案中邊緣照明所用的LED并非永久設(shè)定在特定亮度值，而是可以根據(jù)畫面內(nèi)容決定通過脈沖寬度的動態(tài)變化。

　　另一種減少功率消耗的方法是使用環(huán)境光感測器，如果環(huán)境光較暗，背景燈亮度就會減弱。并且電視制造商也正在研發(fā)更先進的方法，比如攝影鏡頭若能設(shè)計至螢?zāi)恢?，這樣消費者便可以在電視上撥打如Skype的語音電話，此外這些攝影鏡頭也能用來檢測使用者是否有實際在看電視，若房里無人在看電視，背景燈即可自動調(diào)整亮度至最低水準。

　　綜上所述，隨著智慧調(diào)光系統(tǒng)愈趨先進，將來功率消耗解決方案定能更趨客制化，讓喜歡在弱背光亮度的節(jié)能模式或者全亮度下看電視的使用者都能滿足需求。