大功率LED作為大屏幕液晶顯示器背光的電流分配問(wèn)題解決方案

因為冷陰極熒光燈(CCFL)成本非常低，通常大屏幕液晶顯示器(LCD)使用CCFL作為背光源產(chǎn)生均勻的白光。不過(guò)將發(fā)光二極管(LED)用作背光燈正在引起主要制造商們的注意。LED在尺寸、能量效率、光譜純度、機械強度、可靠性和消除汞等有害物質(zhì)方面都勝過(guò)CCFL。

白光可以來(lái)自單個(gè)白色LED；也可以由三個(gè)獨立的色譜與LCD像素色彩濾波器非常匹配的R-G-B LED產(chǎn)生。該技術(shù)可以大幅提高發(fā)光效率和色彩范圍，從而使顯示效果更加清晰、鮮艷。目前采用CCFL背光燈的LCD只能產(chǎn)生70-80%的NTSC制顏色，而采用LED背光燈的新型顯示器可以產(chǎn)生NTSC制式中定義的所有顏色，甚至還能產(chǎn)生NTSC定義范圍之外的顏色。利用LED超快的開(kāi)關(guān)時(shí)間，背光強度可以被調節，從而進(jìn)一步增強圖像對比度，減少快速運動(dòng)圖像產(chǎn)生的拖尾現象。

想在小屏幕LCD監視器(一般是19英寸)中替換CCFL，可以在外殼四周部署三色LED器件來(lái)代替CCFL管。通常只是光源被更換(從CCFL到LED串)，外殼、光導和光膜可以保持不變。而對較大尺寸的LCD(20英寸以上)而言，由于要求較高的光通量，可以在LCD面板背后直接部署LED矩陣，并使必要的擴散層和光膜夾在這些LED矩陣之間。 LED矩陣大小隨面板尺寸而變，一般為幾百個(gè)LED。為了確保均勻的照明，需要在標準的光膜上使用專(zhuān)門(mén)的衍射散射層。隨著(zhù)技術(shù)的進(jìn)步，半導體芯片的輸出亮度會(huì )越來(lái)越高，因此串聯(lián)式或矩陣式LED中的LED數量可以變少，從而進(jìn)一步降低材料和系統成本。

然設計師還必須面對諸多的挑戰，比如在溫度變化和LED逐漸老化的情況下保持光譜的一致性。不過(guò)這種技術(shù)是很有前途的。一些主要的筆記本電腦制造商正計劃推出更多采用LED背光燈的產(chǎn)品。大屏幕電視機制造商也已經(jīng)在這方面投入大量資源，因此LED背光燈有望在消費類(lèi)市場(chǎng)中越來(lái)越流行。

最近在背光燈面板技術(shù)方面有所突破，已經(jīng)可以在LCD的背光面板中使用最新推出的高亮度白色LED。這些新的LED需要封裝尺寸非常小、功率達200W的4V直流電源。這種設計采用的是一家非上市公司發(fā)明的專(zhuān)利技術(shù)，這家公司致力于開(kāi)發(fā)和銷(xiāo)售創(chuàng )新的高動(dòng)態(tài)范圍(HDR)圖像技術(shù)。這種技術(shù)可以用來(lái)制造更高亮度的顯示器。通過(guò)使用增強型視頻處理算法調整LED的亮度，所發(fā)出的亮度可以比傳統的LCD高10倍。背光燈中的每個(gè)LED都是獨立可尋址的，因此光強度可以逐幀甚至逐個(gè)微區域地動(dòng)態(tài)改變。這種技術(shù)可以實(shí)現更高動(dòng)態(tài)范圍的顯示器，與以前技術(shù)相比可以使黑的地方更黑，亮的地方更亮，從而顯著(zhù)提高圖像的清晰度。該技術(shù)已經(jīng)在一些高端成像設備使用的大屏幕顯示器(37和46英寸高清晰顯示器)中得到應用。

這些新的LED需要封裝尺寸非常小、功率可達200W的4V直流電源。以前的產(chǎn)品都是使用一個(gè)500A的5.5V電源，在顯示器中處理這么大的電流分配非常困難。中轉總線(xiàn)變換器(BCM) 是一種V?I晶片模塊，設計用于大功率LED應用以解決電流分配問(wèn)題。BCM采用了Vicor公司獲得專(zhuān)利的正弦幅度轉換器(SAC)拓撲結構，具有先進(jìn)的功率密度、效率和低噪聲性能。BCM的外形尺寸只有1.1平方英寸，典型重量為15克，可以提供一個(gè)隔離和降壓電壓供非隔離負載點(diǎn)轉換器(niPOL)使用。由于它具有快速響應和低的輸出噪聲，負載端常用的壽命有限的鋁電解或鉭電容可以被減少或取消，從而有效節省電路板面積、材料和總體系統成本。

現在系統可以用更低的電流分配48V電壓到任意位置，然后再局部降壓至大電流的4V。每塊大板上有4塊小板組成1個(gè)系統，因此每個(gè)系統中總共有16個(gè) BCM。結果是每塊板運行于200A、4V的電源。相反，如果系統由一個(gè)大電源支持，它需要一個(gè)800A的電源，當然這樣的電源是很危險的。這就是為何 20A的48V電壓被分配到各個(gè)板的原因，這種電源具有更高的可管理性和相當好的熔斷性。

BCM因為以下幾大因素而成為恰當的解決方案。首先是BCM的尺寸和效率，它不需要使用任何專(zhuān)門(mén)的散熱器。其次，它工作在48V的安全電壓(SELV)。BCM還能提供針對不同應用優(yōu)化了的不同標準的輸出電壓。通常上述應用中的系統輸入電壓需要調整到4.1V至4.2V的工作電壓。由于BCM是一種轉換器而不是一種穩壓器，設計師可以使用高達48V的輸入電壓來(lái)獲得他們所需的指定輸出電壓。

其它背光方案要求用恒定電流來(lái)驅動(dòng)串連著(zhù)的大功率LED陣列。一般來(lái)說(shuō)，恒定電流是用來(lái)確?？深A測的發(fā)光亮度和色度值。V?I晶片非隔離預穩壓模塊 (PRM)穩壓器和倍增電流電壓轉換模塊(VTM)電壓變換器雖然主要設計用于利用自適應環(huán)路穩壓方法提供穩定的電壓，但也可通^蔚碾路修改而_至恒定的輸出電流。

與傳統方法相比，使用PRM和VTM提供恒定電流具有許多優(yōu)點(diǎn)。在系統中使用VTM可以倍增負載點(diǎn)的電流，VTM的輸出電流正比于它的輸入電流(如以下公式1所示)。

其中K是VTM的K系數，或簡(jiǎn)單地將其稱(chēng)之為降壓比。

因此在受控的電流應用中，可以通過(guò)檢測和調節VTM的輸入電流來(lái)控制其輸出電流。檢測更低的電流需要更小的傳感器，從而消耗更低的功率，提高總體效率。另外，V?I晶片本身也具有很高的效率和功率密度，使得整個(gè)LED系統體積小、溫度低，并能使每瓦功耗得到的輸出流明數最大。

大多數已知的LED類(lèi)型可以用單個(gè)PRM+VTM對驅動(dòng)。PRM用內部電壓環(huán)路預先進(jìn)行配置，以便將PRM的輸出電壓調整到一個(gè)設定值。PRM的內部工作原理應該非常好理解，因為外部恒流電路是設計與內部電壓控制環(huán)路一起工作的，可以通過(guò)改變PRM電壓參考值來(lái)調節VTM的輸出電流。