如何為CCFL和LED背光供電

典型的LCD背光可以是1個(gè)或多個(gè)冷陰極熒光燈(CCFL target=_blank>CCFL)，或是一組發(fā)光二極管(LED target=_blank>LED)陣列。圖1分別給出了采用這兩種技術(shù)的一個(gè)例子。背光圖像的質(zhì)量在很大程度上取決于背光驅動(dòng)器。在本文中，我們將討論有助于CCFL和LED發(fā)展的一些注意事項，以及如何為這兩種背光供電。

CCFL的總體考慮

CCFL背光是最常見(jiàn)的背光技術(shù)，被用于5.7至23英寸或更大尺寸的顯示器中。在整個(gè)顯示器背板上，可以沿LCD邊緣或均勻間隔地安裝1到24個(gè)或更多個(gè)電燈。

通常，通過(guò)調節CCFL電流或電燈的占空比來(lái)控制亮度。最基本的驅動(dòng)器是由5至48V直流電供電的DC-AC逆變器。

LED總體考慮

LED已被廣泛用于小型顯示器中。對于尺寸較大的顯示器，由于CCFL背光的功耗較高，并且在某些情況下含汞量過(guò)高，這種技術(shù)正開(kāi)始被LED背光所取代。 LED可以沿著(zhù)LCD邊緣或在LCD的背面呈點(diǎn)陣排列。LED器件可串聯(lián)或并聯(lián)排列，這兩種結構將可以提供均勻的LCD照明。LED串可利用每個(gè)串中的串聯(lián)電阻并聯(lián)排列，以提供串-串電流均衡及照明冗余。

CCFL背光通常提供的是白光，而LED背光既可以提供白光，也可以提供紅光、綠光及藍光的混合。LED在正向偏置時(shí)發(fā)光。為保證顯示質(zhì)量，需要采用恒流驅動(dòng)器來(lái)補償LED電壓降及溫度變化的影響，從而確保穩定的光輸出。

與CCFL不同，LED背光不需要很高的交流電壓，因此也就不需要逆變器。最基本的LED驅動(dòng)器由5至48V的直流電供電，并采用DC-DC升壓電路來(lái)為驅動(dòng)LED串的恒流驅動(dòng)器提供電壓。

CCFL驅動(dòng)電路

逆變器電路可以分為兩組：輸出功率較低的一組采用功率晶體管作為初級電路開(kāi)關(guān)器件，而輸出功率較高的一組則采用FET。

變壓器對輸入電壓進(jìn)行升壓。在設計電路時(shí)需要考慮功率、銅損耗及磁芯材料。

圖2詳細展示了一類(lèi)CCFL驅動(dòng)器。鎮流(或次級)電容C2由次級到初級反向工作，可降低CCFL啟動(dòng)和輸出電流開(kāi)始增大時(shí)CCFL上的電壓。啟動(dòng)電壓(VS)、CCFL上的電壓降(VR)以及次級電容上的電壓降(VC)這三者之間的關(guān)系為VS2=VR2 + VC2。次級電容值取決于輸出電流和輸出頻率。增大電容值可增加輸出電流并降低頻率。

在初級電路中，一旦次級負載、次級電容和變壓器初級/次級繞組匝數確定下來(lái)，電容C1便可對逆變器輸出電流值及輸出工作頻率進(jìn)行微調。C1可提供輸出電流及頻率，這些值由次級電路上的元件來(lái)決定。

基極限流電阻R1可支持足夠大的晶體管基極電流，以保證晶體管的飽和。同時(shí)，當晶體管變換初級繞組時(shí)，扼流電路可減小輸入電流中的紋波。扼流電路也可延長(cháng)逆變器導通時(shí)的電流上升時(shí)間。其目的是減小峰值浪涌電流，并扼制來(lái)自扼流電路的可聽(tīng)噪聲。

要對電感、物理尺寸、飽和電流、IR損耗及功耗作出折衷，這使得在選擇電感器時(shí)面臨著(zhù)挑戰。請注意：在低占空周期下，輸入電流上升時(shí)間較長(cháng)會(huì )降低脈寬調制 (PWM)調光的效果。此外，不仔細選擇扼流電路會(huì )導致處于上升的輸入電流波形出現鞍形或更糟糕的情況，而這將影響低占空比PWM調光及CCFL的啟動(dòng)。

所有大功率輸出逆變器或具備板上調光功能的逆變器都應該采用輸入旁路電容，以減少輸入電壓紋波。如果未采用這些電容，那么當每次逆變器功率器件開(kāi)關(guān)時(shí)，產(chǎn)生的電流增加值將導致輸入電壓降低。

LED驅動(dòng)器電路

圖3中的設計顯示了一個(gè)恒流斬波驅動(dòng)器，它可為用于提供LCD側背光的LED串提供帶有10%紋波電流的直流電流。直通開(kāi)關(guān)器件P溝道FET可為L(cháng)ED串提供電流，并與電感器、感測電阻及升壓器件一起產(chǎn)生斬波電流及頻率。

DC-DC升壓變換器是一個(gè)閉環(huán)升壓電源，它提供了足夠的電壓(至少2V的余量)來(lái)驅動(dòng)流向LED串的電流。圖中A部分顯示了一個(gè)比較器及構成正向滯后電路的相關(guān)電阻。圖中將感測電阻上的電壓與一個(gè)已知參考值作比較。圖中B部分給出了另一個(gè)比較器和用于緩沖A部分輸出相關(guān)電阻，以確保正確的滯后處理并驅動(dòng)直通器件。

圖中C部分提供LED開(kāi)/關(guān)及調光控制。+ENABLE輸入控制背光的開(kāi)/關(guān)，+PW脈寬調節斬波驅動(dòng)器的導通與截止，以實(shí)現調光。該設計可以實(shí)現得相當緊湊(見(jiàn)圖4)。

散熱考慮

LCD工作時(shí)的環(huán)境溫度是背光驅動(dòng)器設計人員需要考慮的一個(gè)關(guān)鍵因素。CCFL啟動(dòng)或起始電壓與溫度成反比。圖5a顯示了CCFL起始電壓與溫度之間的典型關(guān)系，圖5b則展示了與電燈電流增大相關(guān)的CCFL亮度變化曲線(xiàn)。

CCFL達到規定亮度所需的時(shí)間也與溫度成反比。對于要求亮度快速增加的任務(wù)關(guān)鍵型應用，可能需要逆變器在短時(shí)間內提供較高的升壓電流，以增強CCFL的預熱性能，并加快達到所要求亮度的時(shí)間。不過(guò)，雖然較高的CCFL電流有利于燈的預熱，但持續的高電流會(huì )使燈處于飽和狀態(tài)，這還會(huì )導致亮度下降以及燈的溫度上升，同時(shí)縮短燈的壽命。對于大多數CCFL而言，燈的額定電流應在3mA～8mA(均方根)的范圍內。

LED背光對低溫不敏感。低溫下LED電氣特性及導通時(shí)間的微小變化無(wú)需對驅動(dòng)器設計作任何特殊考慮。

高溫也會(huì )影響驅動(dòng)器的設計。實(shí)際上，高溫對CCFL驅動(dòng)器功能和可靠性的影響比其它所有變化因素都要顯著(zhù)。

對CCFL驅動(dòng)器來(lái)說(shuō)，變壓器中銅和磁芯的損耗可能會(huì )構成一個(gè)很大的熱源。變壓器通常工作在超過(guò)現場(chǎng)環(huán)境溫度約30?C的溫度下。通過(guò)調整CCFL的驅動(dòng)器設計，可以將銅和磁芯的損耗降至最低，從而維持電路中的電壓和電流值。

高溫對LED背光而言也很重要。不過(guò)，此時(shí)考慮的重點(diǎn)是LED自身的溫度，而不是驅動(dòng)元件的溫度。近年來(lái)LED技術(shù)、封裝及材料的進(jìn)步極大地提高了LED 亮度。LED背光的難點(diǎn)將是如何將LED器件自身的熱量散發(fā)出去，然后散發(fā)顯示裝置上的熱量。設計的關(guān)鍵是保持LED結溫低于100?C以確?？煽啃?。

調光控制

要求寬亮度范圍的LCD應用正日益增長(cháng)。驅動(dòng)器必須能夠分別為明視及夜視提供高亮度和低亮度。亮度控制必須在這一寬范圍內平滑變化，并且不產(chǎn)生閃爍。

CCFL背光的模擬調光是通過(guò)調節驅動(dòng)器輸出電流來(lái)改變燈的亮度，可實(shí)現約為30%滿(mǎn)亮度的粗調，但這無(wú)法為大多數應用提供足夠的動(dòng)態(tài)范圍。此外，模擬調光會(huì )增加振蕩器晶體管負擔并降低逆變器的可靠性。

PWM調光極大地改善了調光控制。在這種類(lèi)型的調光控制中，CCFL或LED以固定頻率脈沖導通和截止，并通過(guò)調節占空比改變亮度。通常，在100至 500Hz頻率之間調節CCFL背光。CCFL背光(帶有4個(gè)或更多燈)的低亮度控制可通過(guò)選擇性控制技術(shù)來(lái)提高，利用這一技術(shù)，燈會(huì )隨著(zhù)亮度的降低而依次熄滅。

此外，調節LED背光的最佳方法是利用PWM調光。采用LED背光可獲得更寬的調光率，因為L(cháng)ED的基本開(kāi)關(guān)時(shí)間可以以納秒度量，而CCFL則需以毫秒度量。

輸入電壓

雖然應用可以支持5至48V的直流電，但流經(jīng)大多數LCD背光驅動(dòng)器的為12V直流輸入。CCFL控制環(huán)可能為開(kāi)環(huán)或閉環(huán)。開(kāi)環(huán)設計需要穩壓輸入電源，因為起始電壓和輸出電流隨輸入電壓而變化。閉環(huán)CCFL驅動(dòng)器在整個(gè)輸入電壓范圍內都可以提供恒定的起始電壓和電流。因此，閉環(huán)在不需要對輸入進(jìn)行穩壓的應用中更受歡迎，通常

電池供電應用就屬于這一類(lèi)。

對于LED驅動(dòng)器而言，VCC必須大于為L(cháng)ED串和感測電阻供電所需的最小值。DC-DC升壓變換器必須采用閉環(huán)控制，以便在無(wú)負載或滿(mǎn)負載條件下都能提供相對穩定的VCC。

雖然LCD的CCFL背光與LED背光之間有很多顯著(zhù)差異，但驅動(dòng)器設計人員必須遵從某些相似性和基本原理，包括考慮背光的環(huán)境溫度，還應特別注意CCFL的低溫情況及LED的高溫情況。

由于高壓?jiǎn)?wèn)題，CCFL背光所面臨的關(guān)鍵挑戰涉及CCFL封裝及驅動(dòng)器布局；由于熱管理，LED背光面臨的關(guān)鍵挑戰則圍繞負載器件的封裝。與模擬調光不同，上述兩種技術(shù)都可很好地利用PWM。本文雖然重點(diǎn)討論一些主要的考慮，但其它因素(如專(zhuān)用要求、成本控制、可制造性及可靠性)在優(yōu)化驅動(dòng)器設計時(shí)也必須考慮。

另外的一些設計經(jīng)驗

散熱考慮

環(huán)境溫度是背光驅動(dòng)性的設計中一個(gè)重要的考慮因素。CCFL啟動(dòng)關(guān)閉電壓與溫度成反比。CCFL達到指定的亮度需要的時(shí)間也與溫度成反比。另一方面， LED背光對低溫不敏感。

調光

使用調節驅動(dòng)器輸出電流來(lái)改變燈的亮度的CCFL背光模擬調光，可實(shí)現粗調至滿(mǎn)亮度的約30%——這對大多數應用需要的動(dòng)態(tài)范圍不夠。PWM調光極大地改善了調光控制。這種類(lèi)型的調光中，CCFL或LED以固定頻率脈沖導通和截止，通過(guò)調節占空比改變亮度。

輸入電壓

大多數LCD背光驅動(dòng)器工作在12V直流輸入，雖然應用范圍可能是5到48V直流。CCFL控制環(huán)可以是開(kāi)環(huán)，這時(shí)需要穩定輸入源，也可以是閉環(huán)，在整個(gè)輸入電壓范圍都可提供恒定的起始電壓和電流。對LED驅動(dòng)器，VCC必須大于LED串和檢測電阻所需電源最小值。