LED驅動(dòng)器提高TV背光能效技術(shù)解析

　　根據加州能源委員會(huì )的資料，現今一臺電視平均消耗一戶(hù)家庭約8—10%的用電量，由此觀(guān)之，能源效率顯然已成為電視供應商重要設計參數之一，未來(lái)電視能源效率的相關(guān)規范勢必也更加嚴格。

　　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(diǎn)在于每個(gè)像素都是活躍的光發(fā)射體，加上能量消耗與像素數量成正比，因此在相同亮度與解析度下，高畫(huà)質(zhì)電漿電視平均消耗的能量約為L(cháng)CD液晶顯示器的二至三倍。

　　目前新型的LED驅動(dòng)電路設計技術(shù)，可有效節約主要功率消耗，讓電視制造商能滿(mǎn)足嚴苛的功率消耗需求，但若要在未來(lái)數年內達到必需的功率消耗目標，現今LED背光液晶電視仍會(huì )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定標準的是美國環(huán)保署于2008年啟動(dòng)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，能有效防止供應商誤導消費者。接著(zhù)，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(jiàn)，當每次新修訂的法律條文進(jìn)一步降低電視能源消耗時(shí)，對于大尺寸電視的制造商更是嚴格的挑戰。

　　不過(guò)，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范。事實(shí)上，美國加州能源委員會(huì )也于2011年初至2013年間執行相關(guān)有效標準，禁止未達到功耗標準的電視在當地銷(xiāo)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(shí)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(lái)自L(fǎng)CD液晶電視的電源系統，此與許多傳統電源系統設計一樣，只要逐步改善能量消耗，就可累積成極大的進(jìn)步。因此，改善背光電源電路，便能大幅提升系統的能源效率。

　　LED背光照明有兩種應用方法，如圖2所示：

　　圖2　LCD液晶電視可采用兩種LED背光照明設計。　　．間接背光照明

　　間接背光照明中，LED配置在螢幕邊緣以產(chǎn)生均勻統一的光線(xiàn)。該配置能讓LED即使在最大的40寸電視螢幕也能有均勻光源，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，還能具不受螢幕尺寸限制的良好延展性，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)可使螢幕達到僅8毫米的厚度。直接背光照明最大優(yōu)點(diǎn)在于能夠精準為局部調光，同時(shí)也降低功率消耗并提高動(dòng)態(tài)對比度。

　　采用多串聯(lián)電路混合架構　LED照明系統兼顧節能/成本

　　系統架構的好壞不僅是LED背光驅動(dòng)設計的重要因素，也是節能最關(guān)鍵的所在。設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(shuō)明各種串聯(lián)電路架構及搭配的電源管理方案。

　　單串聯(lián)/單DC-DC轉換器

　　舉例來(lái)說(shuō)，開(kāi)關(guān)模式電源(SMPS)的高效直流對直流(DC-DC)轉換器，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(guò)電流槽(Current Sink)調節的電流，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轉換器背光系統架構

　　一般而言，電源通用設計原理是在電流阱到SMPS間使用反饋回路調節，但這種反饋回路必定會(huì )在兩個(gè)LED之間的正向電壓(Vf)變動(dòng)。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(gè)LED組成的串聯(lián)電路中，VLED的總電壓為30？34伏特。

　　DC-DC轉換器所需的電壓為：

　　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調節在30.5？34.5伏特之間，還須考慮LED實(shí)際正向電壓。

　　多串聯(lián)電路/多DC-DC轉換器

　　基于串聯(lián)的LED數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(guò)一定輸出/輸入電壓比率(VOUT/VIN Ratio)，會(huì )導致SMPS效率急遽下降。綜上所述，LED背光設計人員須要使用多個(gè)串聯(lián)電路，以避免SMPS輸出電壓過(guò)高。

　　從圖4可見(jiàn)，最簡(jiǎn)單的方法是復制單串聯(lián)/單DC-DC轉換器拓撲，讓每個(gè)串聯(lián)電路電壓各自調節以提升效率。但如此一來(lái)，所有串聯(lián)電路也得各自配備DC-DC控制器、金屬氧化物半導體場(chǎng)效電晶體(MOSFET)、線(xiàn)圈、二極體和輸出電容等材料，總體物料成本也會(huì )隨之提高。雖然設計人員或許為求解決問(wèn)題而減少LED通道數量，并將所有LED串聯(lián)，不過(guò)仍會(huì )影響系統的局部調光；反覆權衡后，這種拓撲結構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轉換器，將是一種較高成本的方案。　　采用單DC-DC轉換器的多串聯(lián)電路

　　然而，另一種更激進(jìn)的方法是采用單DC-DC轉換器的多串聯(lián)電路拓撲(圖5)，該方法的缺點(diǎn)是SMPS電壓須調節到比最高正向電壓高，但同時(shí)表示電流槽的電流必須消散多余電量，這不僅會(huì )產(chǎn)生多余熱量，而且也會(huì )降低效率。

　　圖5　單DC-DC轉換器同時(shí)服務(wù)多個(gè)LED串聯(lián)電路，會(huì )導致其無(wú)法充分利用SMPS電壓。

　　多串聯(lián)電路混合架構

　　該架構不僅結合上述提到的多串聯(lián)電路/多DC-DC轉換器架構元件，也是效率和成本之間的最佳平衡(圖6)。藉由這個(gè)方案能局部調節直接背光照明系統，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的數據，顯示該拓撲結構能讓LCD電視達到高效率。同時(shí)，此方案比起多串聯(lián)電路/多DC-DC轉換器架構更能節省物料成本。

　　圖6　混合架構能降低物料成本，同時(shí)提升轉換效率。

　　LED亮度/色溫仰賴(lài)調節電流

　　上文提到白光LED的正向電壓波動(dòng)是LED制造技術(shù)的特點(diǎn)，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(huì )根據顏色、亮度和正向電壓的不同，對產(chǎn)品進(jìn)行分組，將類(lèi)似產(chǎn)品歸為一類(lèi)。

　　不過(guò)，電流必須調節為特定額定電流，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格說(shuō)明僅在精確標準運作的條件下有效；在類(lèi)比調光中，LED會(huì )在標準額定電流之外運作，導致其無(wú)法接受色溫變化而使亮度調配不佳。

　　準確調節電流　電流槽精準度至關(guān)重要

　　LED須要精確調節的恒流電源，其驅動(dòng)器的工作是在開(kāi)關(guān)打開(kāi)時(shí)將電流設為額定值，并在關(guān)閉時(shí)保證電流為0安培(A)；負責準確調節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節要求精準度誤差須小于0.5%，因此須使用主動(dòng)運算放大器設定LED的電流(ILED Current)，才能進(jìn)一步獨立設定其電壓(ILED Voltage)。換句話(huà)說(shuō)，使用極精確的運算放大器并不難，但當背光驅動(dòng)運作中，電流槽的電壓降得很低時(shí)就難以精準調節電流。

　　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的運算放大器。

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

　　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驅動(dòng)器內建偏移補償功能，因此可將VSET維持在125？250毫伏特的低水平，同時(shí)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(gè)LED構成串聯(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驅動(dòng)器沒(méi)有包含偏移補償功能，則VSET值將提高，進(jìn)而導致電流槽功率損失更多。

　　內建PWM/SPI　LED驅動(dòng)器調光效果躍升

　　如上所述，從LED驅動(dòng)器到SMPS的反饋回路會(huì )使漏電壓處于最低值。從圖8的左圖可見(jiàn)，輸出電流槽可采用簡(jiǎn)單明確的電流輸出驅動(dòng)器與外部電容器，也能如同圖8中的右圖使用數位控制電路設定釋放次數，并通過(guò)數位類(lèi)比轉換器輸出電流(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，依混合架構的需求，從多個(gè)驅動(dòng)器附加反饋線(xiàn)路至同一個(gè)SMPS。

　　圖8　反饋回路傳送到SMPS的不同方法

　　除此之外，數位化應用有一些獨特優(yōu)勢，不僅不需要輸出電容器，還能讓設計人員自由定義反饋系統的啟動(dòng)與衰變次數，若選用涵蓋衰減潛伏期及相對較慢衰減的快速啟動(dòng)次數，將能改善顯示器的表現。而這種優(yōu)勢在須要迅速改變亮度的場(chǎng)景表現最為明顯，能用來(lái)快速消除螢幕從暗至全亮過(guò)程中可察覺(jué)的亮度瑕疵。圖9是亮度轉換的普遍案例，左邊類(lèi)比方案在LED輸出會(huì )在短時(shí)間內變暗，造成螢幕再達到下一次全亮之前會(huì )明顯地延遲。

　　圖9　右邊的數據反饋回路較左邊的模擬反饋回路，能更快由暗到亮轉換。

　　由于電影和其他影片內容是由大量的動(dòng)態(tài)畫(huà)面構成，因此很容易讓觀(guān)眾注意力分散。如能在衰變指令中嵌入上百毫秒的延遲，即可讓數位調節電路中的瑕疵消除。這表示因為驅動(dòng)器自動(dòng)延遲電壓的斜線(xiàn)下降，變亮過(guò)程被一系列短暫變暗過(guò)程打斷，因此第二個(gè)變亮過(guò)程將從全亮開(kāi)始。

　　另一個(gè)在LED驅動(dòng)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，能讓較小區塊的面板變暗以節約能源，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(gè)LED均由脈沖寬度調變(PWM)單獨配置；但要產(chǎn)生兩百五十六個(gè)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(lái)說(shuō)，依然是個(gè)極大任務(wù)。

　　因此，透過(guò)這些背光系統能將局部PWM發(fā)生器整合至LED驅動(dòng)器晶片，這就可以用簡(jiǎn)單的SPI數據傳輸來(lái)控制亮度(圖10)。在十六個(gè)個(gè)別包含十六通道多驅動(dòng)晶片構成兩百五十六通道的架構中，LED通道不僅可以菊鏈SPI訊號方式配置，還可以傳輸用于VSYNC到前一幅的數據。

　　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(guò)SPI數據傳輸的速度可以達到20Mb/秒或50kb/幀。有了能夠彌補局部PWM發(fā)生器延誤、高峰和時(shí)段的延遲，就能在更短時(shí)間內依實(shí)際需求將各區調暗，因此能以最低的微控制器成本達到理想的局部調光效果。

　　善用環(huán)境光感測器　LED智慧調光應用更多元

　　事實(shí)上，這種局部調光技術(shù)僅適用于直接背光照明系統，但仍能應用在針對一定數量智慧調光的邊緣照明，特別是在保持白光LED色溫不變的情況下，PWM調光可調整亮度。值得注意的是，在該方案中邊緣照明所用的LED并非永久設定在特定亮度值，而是可以根據畫(huà)面內容決定通過(guò)脈沖寬度的動(dòng)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(huì )減弱。并且電視制造商也正在研發(fā)更先進(jìn)的方法，比如攝影鏡頭若能設計至螢幕中，這樣消費者便可以在電視上撥打如Skype的語(yǔ)音電話(huà)，此外這些攝影鏡頭也能用來(lái)檢測使用者是否有實(shí)際在看電視，若房里無(wú)人在看電視，背景燈即可自動(dòng)調整亮度至最低水準。

　　綜上所述，隨著(zhù)智慧調光系統愈趨先進(jìn)，將來(lái)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能模式或者全亮度下看電視的使用者都能滿(mǎn)足需求。