基于高壓LED搭建的背光控制電視系統(tǒng)

摘?要：本文引入一種應(yīng)用在局部背光調(diào)節(jié)系統(tǒng)的新型高壓LED方案，并對(duì)其進(jìn)行了詳細(xì)講述，與傳統(tǒng)方案相 比，新方案無論是在可靠性、成本、還是效率方面均有不同程度的優(yōu)化，值得學(xué)習(xí)和推廣。

關(guān)鍵詞：局部背光調(diào)節(jié)；高壓LED；BUCK 橫流模塊；可靠性

隨著消費(fèi)者對(duì)液晶電視機(jī)畫質(zhì)要求的不斷提升，Local Dimming（局部背光調(diào)節(jié)）作為提升對(duì)比度的主要技術(shù)受到了各大電視機(jī)廠家的青睞。眾所周知，電視機(jī)的分區(qū)越多，Local Dimming 的效果越好，動(dòng)態(tài)對(duì)比度越高，畫質(zhì)更佳。而在電視機(jī)上引入 Local Dimming 技術(shù)，通常都會(huì)對(duì)電視機(jī)背光進(jìn)行分區(qū)處理，幾顆燈一區(qū)或者一顆燈一區(qū)，主板實(shí)時(shí)根據(jù)圖像信號(hào)的亮度算法對(duì)每個(gè)區(qū)域進(jìn)行亮度分析，將結(jié)果以電流值的形式與 SPI 的方式傳輸給背光的每一區(qū)，從而達(dá)到對(duì)背光進(jìn)行實(shí)時(shí)亮度調(diào)節(jié)的目的，表現(xiàn)為亮的區(qū)域更亮、暗的地方更暗，從而提高動(dòng)態(tài)對(duì)比度。

1 傳統(tǒng)Local Dimming方案分析

目前高端 Local Dimming 電視產(chǎn)品均做到了一顆燈一區(qū)或者幾燈一區(qū)，主流 LED（發(fā)光二極管）的驅(qū)動(dòng)電壓為 3.3 V，配套的電源板使用 12 V 輸出給恒流板供電，恒流板通過 BUCK 電路將 12 V 降壓至 3.3 V 給 LED 供電，然后通過恒流芯片進(jìn)行恒流處理。因采用該種驅(qū)動(dòng)方式的電視分區(qū)多，模組亮度指標(biāo)高，在用戶觀賞方面，電視機(jī)顯示清晰醒目，色彩艷麗，畫質(zhì)極佳，深受消費(fèi)者的喜愛。但是此種驅(qū)動(dòng)方式由于 LED 使用大電流驅(qū)動(dòng)，各區(qū) LED 的負(fù)極到恒流板的路徑較長，因此線損很大，恒流板因?yàn)樨?fù)極線產(chǎn)生的熱而溫度較高，對(duì)穩(wěn)壓二極管等元器件的耐電流能力要求較高，在選型上帶來諸多不便，溫度方面需要通過加散熱片才能滿足要求。整體來說，該系統(tǒng)電源效率低、線損大、可靠性低，成本相對(duì)較高。

2 新型高壓LED Local Dimming方案

如何優(yōu)化 Local Dimming 所存在的如上幾點(diǎn)問題？同時(shí)隨著分區(qū)越來越多，如何在有限的 PCB 面積上容納更多的元器件？這些都是要去面對(duì)的問題。在此，我們引入高壓 LED 的概念，即改變 LED 的電氣特性，將 LED 的電氣規(guī)格由 3.3 V、300 mA 改變成 24 V、40 mA 的規(guī)格，同時(shí)保持其光學(xué)特性不變（包括 LED 的發(fā)光亮度、發(fā)光曲線以及與光學(xué) LENS 的匹配光型）。這樣做的目的在于：使用 24 V 高電壓規(guī)格的 LED，恒流板無需進(jìn)行降壓處理，而是直接通過電源板輸出 24 V 電 壓給 LED 供電并通過恒流 IC 對(duì) LED 進(jìn)行恒流驅(qū)動(dòng)，即可以讓恒流板省去 12 V 轉(zhuǎn) 3.3 V 的 BUCK 電路。LED 的驅(qū)動(dòng)電流由 300 mA 降低至 40 mA, 電源板的輸出電流降低至之前的33%，相關(guān)元器件均可以降低耐流值規(guī)格，選擇性更多，價(jià)格也會(huì)相應(yīng)降低。同時(shí)整個(gè)系統(tǒng)LED的環(huán)路線損也僅為之前的13.3%，線損大大降低。恒流板的元器件溫升較之前也有較大改善，可靠性更佳。由于恒流板省去了 BUCK 單元電路，PCB 的空間更加充足，布局、走線更方便，PCB 板可以由之前的四層板改為兩層板，成本更低?？傊?，使用 24 V LED 方案會(huì)給整個(gè)系統(tǒng)帶來諸多方面的優(yōu)化，如成本、可靠性、效率、恒流板布板面積等等。接下來將對(duì) 24 V 高壓 LED 方案進(jìn)行詳細(xì)的講述。

首先從電源系統(tǒng)框圖上對(duì) 3.3 V LED 系統(tǒng)和 24 V LED 系統(tǒng)框圖進(jìn)行對(duì)比，其框圖分別如圖 1 和圖 2 所示。

對(duì)比框圖可以看出，24 V LED 系統(tǒng)與 3.3 V LED 系統(tǒng)的差異在于電源板的供電輸出和恒流板的恒流模塊。以 65G8210 背光模組為例，背光為 108 區(qū)，當(dāng)有一顆燈一區(qū)時(shí)，3.3 V LED 系統(tǒng) LED 需要 3.3 V 供電規(guī)格，低電壓需要通過降壓的方式實(shí)現(xiàn)，體現(xiàn)在電源系統(tǒng)上為電 源板 12 V 供電，通過 BUCK 電路降壓 至 3.3 V。24 V LED 系統(tǒng)需輸出 24 V 規(guī)格，電源可直 接提供 24 V 規(guī)格的輸出，無需進(jìn)行 BUCK 處理。24 V LED 系統(tǒng)較 3.3 V LED 系統(tǒng)的差異在于電源板的輸出規(guī)格以及恒流板板有無BUCK電路。

3.3 V LED 系統(tǒng)以及 24 V 系統(tǒng)恒流板恒流模塊原理圖對(duì)比如圖 4 和圖 5 所示。

3.3 V BUCK 降壓模塊選用 TI 公司的 TPS54531 為降壓 IC，該 IC 具有 3.5~28 V 的寬范圍輸入，集成一個(gè)低 Rds 的 MOSFET，可以有效減少 BUCK 系統(tǒng)電路的體積。以65G8210為例，恒流板使用 18 個(gè) BUCK單元電路，為 LED 負(fù)載供電。

3.3 V 恒流控制模塊主 IC 使用 Iwatt7025 恒流 IC，該 IC 具有多達(dá) 16 路的恒流控制，每路供電電壓可高達(dá) 85 V，整個(gè) 108 區(qū) 恒流板使用 9 顆恒流板 IC。

其恒流板上實(shí)物對(duì)比圖如圖 6、圖 7 所示，省去 BUCK 電路后，電路更簡潔，PCB 布板空間更大。

3 兩種方案對(duì)比

3.1 可靠性

系統(tǒng)可靠性，主要包括 LED 的可靠性和電源板、恒流板的可靠性?？煽啃赃€主要體現(xiàn)在元器件溫升上，表 1 為兩個(gè)系統(tǒng)的溫度對(duì)比表，從表中可以看出，24 V LED 系統(tǒng)在電源板和恒流板的元器件溫升上起到了很大的改善作用，即使是溫度降低最少的元器件也有 21 ℃。 對(duì)于模組部分，有約 5 ℃ 的改善。系統(tǒng)溫升的降低可以大幅提升整體的可靠性，使電視使用壽命更長。

3.2 光學(xué)數(shù)據(jù)

光學(xué)數(shù)據(jù)方面，使用 3.3 V LED 量產(chǎn)的 65G8210 整機(jī)，180 顆燈，108 區(qū)，驅(qū)動(dòng)電流 280 mA，整機(jī)亮度為 1 011 nits，功率為 271 W。在相同的膜片和結(jié)構(gòu)搭配下，使用 24 V LED，180 顆燈，108 區(qū)，驅(qū)動(dòng)電流 40 mA，整機(jī)亮度為 1 023 nits，功率為 253.5 W。從亮度數(shù)據(jù)上看，亮度基本上一致。從兩組數(shù)據(jù)對(duì)比中可以看出，在亮度指標(biāo)相同的條件下，24 V LED 可以節(jié)省 17.5 W 的功率，可見 24 V LED 系統(tǒng)的效率更高。

3.3 主觀數(shù)據(jù)

在主觀視效方面，24 V LED 與 3.3 V LED 視效一樣好，主觀視效基本上一致。具體視效圖如圖 8 和圖 9 所示。

4 結(jié)語

以上是基于 24 V LED 搭建的 Local Dimming 電視機(jī)系統(tǒng)，相對(duì)于傳統(tǒng)的低壓 LED Local Dimming 方案，在系統(tǒng)可靠性、系統(tǒng)成本、視效等方面均有不同程度的 改善。該技術(shù)方案屬于國內(nèi)首例，具有積極的帶動(dòng)作用，該方案的推出，改變現(xiàn)有區(qū)域調(diào)光的系統(tǒng)方案，提供更為可靠、低成本的系統(tǒng)。同時(shí)該方案的推出將對(duì)節(jié)能減排做出積極的貢獻(xiàn)，符合國家的綠色環(huán)保理念，值得推廣。本方案的順利完成，奠定了 HDR 技術(shù)基礎(chǔ)，為后續(xù)高端系列產(chǎn)品開發(fā)積累了經(jīng)驗(yàn)。

(注：本文轉(zhuǎn)載自《電子產(chǎn)品世界》雜志2022年10月期)