用于降低液晶電視機功耗的LED驅動(dòng)技術(shù)

據超高能效設備與電器推廣(SEAD)項目估計，電視機能耗大約占全球居民消耗電能的3%至8%。由勞倫斯伯克利實(shí)驗室開(kāi)展的研究分析認為，如果采用更加高效的LED驅動(dòng)等先進(jìn)技術(shù)，將可以顯著(zhù)降低電視機的能耗。

幾乎毫無(wú)疑問(wèn)的是，采用LED背光照明的液晶顯示器(LCD)技術(shù)是達到權威機構建議的效率目標的唯一可行方法。等離子電視機的缺點(diǎn)是每個(gè)像素都是有源發(fā)光體，因此其功耗直接正比于像素的數量。在相同分辨率和亮度條件下，高清等離子電視機的功耗大約是LCD顯示器的2至3倍。而廣為宣傳的OLED技術(shù)并沒(méi)那么快上市，而且這種“極度前沿的”大屏幕技術(shù)要求的投資額是非常巨大的。然而，采用目前最先進(jìn)的TFT-LCD技術(shù)和具有“智能”直接LED背光照明及局部調光功能的大顯示屏要比OLED便宜許多，而功耗和圖像質(zhì)量相近。

但目前的液晶電視機，包括采用LED背光照明的液晶電視機，仍與它們在今后幾年中要達成的效率目標有一定差距。不過(guò)最新的LED驅動(dòng)電路設計技術(shù)具有顯著(zhù)的節能效果，在幫助電視機制造商滿(mǎn)足嚴格的功耗要求方面可以發(fā)揮較為深遠的作用。

不斷變化的電視機功耗標準要求

能源之星電視機功耗標準是2008年推出的，這個(gè)標準中的電視機功耗指標每年都會(huì )不斷降低。由于不管多大尺寸的電視機，目前標準允許的最大功耗都是85瓦，因此對大屏幕電視機來(lái)說(shuō)設計挑戰會(huì )更加艱巨。

雖然能源之星是自發(fā)標準，但具有很大的影響力，而且也不是唯一的一種法規。例如加州能源委員會(huì )就頒布有自己的標準。他們這個(gè)標準比能源之星標準還要嚴格，并且具有很大的殺傷力——它禁止在加州地區銷(xiāo)售不能滿(mǎn)足其能效指標的電視機。在歐洲，相關(guān)法規也已頒布很多年了，允許對白色家電的能耗進(jìn)行直接比較(歐盟能源標簽)，消費者經(jīng)常把它作為購買(mǎi)決策的基本依據。對電視機、汽車(chē)等產(chǎn)品來(lái)說(shuō)這些法規現在都是強制性的。

LED背光照明的工作原理

由于LED背光照明功耗約占液晶電視機整個(gè)系統功耗的30%至70%，因此提高背光照明電路效率對改進(jìn)系統效率有相當大的作用。正如電源系統設計中經(jīng)常遇到的情況那樣，許多不起眼的效率改進(jìn)措施組合在一起可以實(shí)現顯著(zhù)的節能效果。

LED背光照明的實(shí)現方式主要有兩種(見(jiàn)圖1)。在間接或邊緣點(diǎn)亮式背光照明方案中，LED放置于屏幕的邊緣，并通過(guò)導光裝置將光線(xiàn)均勻的分布到整個(gè)顯示器。這種方案在大至40英寸的屏幕中具有很好的光學(xué)均勻性，而且背光照明部件的厚度只有5mm至10mm。

圖1：液晶電視機可以采用兩種LED背光照明方式中的一種。

在直接背照系統中，LED直接布置于LCD的后面，具有低功耗、良好的熱設計和優(yōu)秀的可擴展性能，特別是對屏幕尺寸沒(méi)有限制。這種屏的厚度通常要比邊緣點(diǎn)亮型屏厚，但借助于最新的發(fā)光技術(shù)，現在這種顯示器厚度也可以做到8mm了。直接背光照明的一個(gè)重要優(yōu)點(diǎn)是，它可以實(shí)現復雜的局部調光功能，進(jìn)而降低功耗，提高動(dòng)態(tài)對比度，使最新的電視機設計能與OLED相媲美。

LED背照系統的架構選擇

設計師一般會(huì )根據最大限度地節省能耗和顯著(zhù)增強圖像質(zhì)量標準來(lái)選擇LED背照驅動(dòng)系統的架構。另外，設計師也希望能在本地控制LED串和最低的材料清單(BOM)成本之間取得最佳平衡。

單串和單個(gè)DC/DC轉換器

這種方案用開(kāi)關(guān)電源(SMPS)給成串放置的背照LED提供電壓，并用電流槽來(lái)調節流經(jīng)LED串的電流。為了盡量降低功耗，ILED電流槽處的電壓要求比必需電壓高一點(diǎn)，以便保證LED能夠接收到規定的電流(見(jiàn)圖2)。

圖2：?jiǎn)未?、單個(gè)DC/DC轉換器的背照系統架構。

常見(jiàn)的設計方法是建立一個(gè)從ILED電流槽到開(kāi)關(guān)電源的反饋路徑，用于調節開(kāi)關(guān)電源的輸出電壓。這條反饋路徑建立后就允許不同LED之間存在的正向電壓(Vf)變化。白色LED的Vf典型值約為3.2V，但不同LED的變化可能高達±200mV。因此，在有10個(gè)LED的串中，總的VLED電壓值可能在30V至34V范圍內。

DC/DC轉換器要求的輸出電壓可以表示為：

假設VSINK為0.5V，那么ILED電流槽必須將VDC-DC調整到30.5V至34.5V范圍內，具體取決于實(shí)際的LED正向電壓。

多串和多個(gè)DC/DC轉換器

單串的LED很少能夠滿(mǎn)足要求，因為隨著(zhù)串中LED數量的增加，DC/DC轉換器的輸出電壓也要隨之增加。在VOUT/VIN超過(guò)某個(gè)比值后，開(kāi)關(guān)電源的效率會(huì )急劇下降。因此LED背光設計師可以使用多個(gè)LED串來(lái)避免開(kāi)關(guān)電源輸出過(guò)高的電壓。

最簡(jiǎn)單的方法是每個(gè)串復制單個(gè)串單個(gè)DC/DC轉換器的拓撲(見(jiàn)圖3)。這種方法的優(yōu)勢是效率高，因為每個(gè)串的電壓可以單獨調節。缺點(diǎn)是成本高，因為每個(gè)串需要自己的DC/DC轉換器、MOSFET、線(xiàn)圈、二極管和輸出電容。為了節省BOM成本，設計師可以通過(guò)使用長(cháng)串來(lái)減少LED通道的數量，即在每個(gè)串中使用更多的LED。但這種方法會(huì )犧牲系統實(shí)現局部調光的能力，而這是另外一種重要的節能技術(shù)。因此這種拓撲不管怎樣變換都不會(huì )特別吸引人。

圖3：每個(gè)LED串使用單獨的DC/DC轉換器是一種昂貴的方案。

多個(gè)串使用一個(gè)DC/DC轉換器

多個(gè)串加上單個(gè)DC/DC轉換器的拓撲是降低BOM成本的一種更好方法(見(jiàn)圖4)。該方法的缺點(diǎn)是，開(kāi)關(guān)電源的電壓必須調節到高過(guò)具有最大正向電壓的那個(gè)LED串，這意味著(zhù)系統的工作電壓要高于具有較低正向電壓的那些串所必需的電壓，也即意味著(zhù)ILED電流槽必須從具有較低正向電壓的LED串上消耗過(guò)多的功率，這會(huì )產(chǎn)生必須從電路板散發(fā)的過(guò)多熱量，從而降低能效。

圖4：采用一個(gè)DC/DC轉換器接多個(gè)LED串的拓撲時(shí)，開(kāi)關(guān)電源的電壓無(wú)法做到最優(yōu)。

多串混合架構

整合了多串部件和多個(gè)DC/DC轉換器的架構可以在效率和BOM成本之間提供最佳平衡。這種混合架構(見(jiàn)圖5)有多個(gè)DC/DC轉換器為L(cháng)ED串組供電。

圖5：混合架構可以在BOM成本和能效之間達到最佳平衡。

這種解決方案可以提供最高的總體能效，因為它整合了直接背照系統中的局部調光優(yōu)勢和良好的DC/DC輸出電壓調節功能，而且還可以通過(guò)高效的多個(gè)串、多個(gè)DC/DC轉換器架構提供真正的BOM節省。

調節電流以匹配LED的特性

LED制造工藝會(huì )造成不同LED之間的亮度和色溫有很大的變化。為了方便用戶(hù)，白色LED制造商會(huì )將每個(gè)制造的單元分配到在顏色、亮度和正向電壓方面性能相當的LED組或“箱”。但制造商針對每個(gè)亮度和色溫箱制訂的規格只在特定標稱(chēng)工作條件下才有效。這意味著(zhù)LED電流必須設置為數據手冊中規定的標稱(chēng)電流才能產(chǎn)生規定的亮度和顏色。

結果是，只能通過(guò)數字PWM控制信號將任何一個(gè)LED的電流切換到導通(標稱(chēng)電流)或關(guān)斷(零電流)狀態(tài)才能實(shí)現調光和亮度控制功能。在模擬調光時(shí)，LED將工作在規定的標稱(chēng)電流范圍之外，這將導致不可接受的色溫變化和不良的LED至LED亮度匹配(見(jiàn)圖6)。

圖6：來(lái)自相同箱的LED亮度只有在標稱(chēng)電流時(shí)才能保證匹配(本例中為20mA)。

電流槽特性

由于LED要求完全穩定的恒流電源，因此LED驅動(dòng)器的主要作用只需是在導通時(shí)將電流設為標稱(chēng)值，在關(guān)斷時(shí)將電流設為0A。這樣，控制調節精度的反饋環(huán)路要求使用特別精密的電流槽(見(jiàn)圖7)。

雖然市場(chǎng)上有各種電流槽設計，但電視機背光照明的高精度要求(電流調整率高于±0.5%)需要使用精密運放來(lái)設置獨立于ILED電壓的ILED電流。但在背光照明驅動(dòng)器應用中，任務(wù)更具挑戰性，因為即使電流槽的電壓降低到非常小時(shí)也必須保持電流調整的精度。

這是一個(gè)很難滿(mǎn)足的要求，但AMS公司提供的四代高精度電流槽LED驅動(dòng)器——AS369x、AS381x、AS382x、AS385x就是特別針對這種應用設計的。這些器件也采用了偏移補償式運放。電流槽驅動(dòng)器要求漏極處于最小電壓值(VDS(sat))，以便確保電流槽晶體管在飽和區內具有完整的精度并能夠正確地工作。在飽和區內，柵極-源極電壓主要用于控制輸出電流。

如果想要電流槽高效率地工作，VSET和VDS之間的壓降要低，這一點(diǎn)很重要。采用運放并內置偏移抵消功能的LED驅動(dòng)器可以保持VSET電平低至125mV至250mV。要想使VDS具有超過(guò)VDS(sat) 150mV的額外余量，電流槽的總壓降必須在400mV左右。對于具有8個(gè)LED的串來(lái)說(shuō)(此時(shí)Vf?= 8 x 3.2 = 25.6 V)，ISINK中的功率損失約為1.5%。當AMS背光LED驅動(dòng)器中不包含偏移抵消功能時(shí)，VSET的值將更高，這將使電流槽的功率損失更多。

圖7：電流槽設計;精密電流槽要求使用帶偏移補償功能的精密運放。

用于優(yōu)化功耗的反饋調節機制

如上所示，從LED驅動(dòng)器到開(kāi)關(guān)電源建立的反饋路徑將漏極電壓設置為最低要求值。輸出電流槽可以用簡(jiǎn)單且成熟的電流輸出驅動(dòng)器加上一個(gè)外部電容來(lái)實(shí)現(見(jiàn)圖9中的左圖)，或者使用能夠設定啟動(dòng)/釋放時(shí)間并用數模轉換器控制電流輸出的數字控制電路來(lái)實(shí)現(IDAC)(見(jiàn)圖8中的右圖)。

圖8：至開(kāi)關(guān)電源的反饋環(huán)路的兩種不同實(shí)現方法。

這兩種解決方案都具有很高的效率，能使用各種帶電壓反饋環(huán)路的開(kāi)關(guān)電源，而且都可以通過(guò)將反饋回路從不止一個(gè)驅動(dòng)器連接到同一開(kāi)關(guān)電源來(lái)實(shí)現，這正是混合架構系統的要求。

然而，第二種數字實(shí)現方法具有一些特定的優(yōu)勢。除了同樣不要求使用輸出電容外，這種數字電路還能讓設計師自由地定義反饋系統的啟動(dòng)和釋放時(shí)間。通過(guò)選擇快速啟動(dòng)時(shí)間以及釋放延時(shí)和相對緩慢釋放的組合，可以顯著(zhù)提高顯示器的性能。這種好處在要求快速改變亮度的場(chǎng)合特別明顯。在這種情況下，當屏幕從黑暗改變到全亮時(shí)，快速啟動(dòng)時(shí)間可以消除可覺(jué)察的亮度瑕疵。模擬解決方案(見(jiàn)圖8)是在很短的暗幀期間逐漸調節LED輸出的，因此下一個(gè)亮幀達到全亮會(huì )有個(gè)可見(jiàn)的延遲。

這個(gè)現象會(huì )讓電視觀(guān)眾分心，因為電影和其它視頻內容的幀與幀之間有很大的動(dòng)態(tài)范圍。這種瑕疵可以用數字調節電路來(lái)消除，方法是在釋放操作中插入幾百毫秒的延時(shí)。這樣，當亮幀被一系列短的暗幀中斷時(shí)，第2個(gè)亮幀將從全亮時(shí)開(kāi)始，因為驅動(dòng)器會(huì )自動(dòng)延遲電壓下降過(guò)程。AMS產(chǎn)品中就使用了能夠實(shí)現釋放延遲的數字反饋算法。

LED驅動(dòng)器IC中集成的另外一個(gè)有用功能是快速串行外設接口(SPI)。在直接背照電視機中，LED被安排在大量相對短的串中，因此小尺寸的顯示屏可以通過(guò)調暗光線(xiàn)達到節能的效果。通常這種安排在16x16的場(chǎng)矩陣中包含256個(gè)通道，每個(gè)通道可以通過(guò)脈寬調制(PWM)單獨配置。但利用可變PWM寬度和延時(shí)產(chǎn)生256個(gè)PWM信號是一個(gè)極耗處理器資源的任務(wù)，即使是最快的微控制器也會(huì )不堪重負。

因此這些背光照明系統都是使用集成在LED驅動(dòng)器IC中的PWM發(fā)生器，這樣就可以通過(guò)簡(jiǎn)單的SPI數據傳輸來(lái)配置亮度。在具有多個(gè)驅動(dòng)器IC的架構中(如每個(gè)IC有16個(gè)通道，總共16個(gè)IC有256個(gè)通道)，LED通道可以通過(guò)建立SPI信號菊花鏈并將VSYNC幀中使用的數據傳輸到前一幀進(jìn)行配置。

在這種方案中，通過(guò)SPI的數據傳輸速度可以達到20Mb/s，或在400Hz幀速率時(shí)達到50kb/幀。這個(gè)速度足夠快到以同步實(shí)際幀的速度改變每個(gè)場(chǎng)的調光效果。因此只需很少的微控制器開(kāi)銷(xiāo)就可以實(shí)現理想的局部調光功能。

邊緣照明系統的智能調光功能

這種局部調光技術(shù)只能用在直接背照系統中，不過(guò)在邊緣照明系統中也可以實(shí)現一些特定的智能調光技術(shù)。尤其是PWM調光，它能在不改變白色LED的色溫條件下改變亮度。與讓邊緣照明LED永久設為一個(gè)特定的亮度值不同，這時(shí)的亮度可以通過(guò)改變脈沖寬度來(lái)動(dòng)態(tài)改變。

還有一種節能技術(shù)叫動(dòng)態(tài)亮度調節(DLS)。采用這種技術(shù)后，LCD的白色/亮度值可以在某些場(chǎng)合增加，從而允許降低背光LED的功率輸出。

使用環(huán)境光線(xiàn)傳感器(ALS)是另外一種降低功耗的方法。如果放置電視機的室內光線(xiàn)相當暗，可以減小背光燈亮度(見(jiàn)圖9)

圖9：使用智能LED驅動(dòng)器和智能ALS傳感器的節能方法。

電視機制造商正在研究更為復雜的方法。舉例來(lái)說(shuō)，照相機開(kāi)始進(jìn)入顯示器設計中，它能讓消費者在電視機上使用視頻電話(huà)服務(wù)，如Skype。這些照相機還可以用來(lái)檢測是否確實(shí)有人在看電視。如果電視機開(kāi)著(zhù)，但房間里沒(méi)人，可以自動(dòng)將背光燈降低到最低亮度。

甚至還可以實(shí)現定制的能耗模式。雖然你可能喜歡在降低背光照明亮度的能源友好生態(tài)模式下觀(guān)看電視，但家里的其它成員可能喜歡高亮觀(guān)看。

總之，通過(guò)實(shí)現目前先進(jìn)的高效LED驅動(dòng)技術(shù)可以達到顯著(zhù)的節能效果。由于更加嚴格的法規在不斷降低新款電視機允許消耗的最大功率，這種技術(shù)的重要性將越來(lái)越突出。