Mini-LED電源及背光控制系統設計

0   引言

近年來(lái)，Mini-LED 領(lǐng)域備受行業(yè)關(guān)注，Mini-LED背光顯示技術(shù)具有其他技術(shù)無(wú)法比擬的產(chǎn)業(yè)化優(yōu)勢，Mini-LED 未來(lái)的發(fā)展方向涵蓋了大、中、小尺寸LCD顯示背光以及LED 顯示屏等，從市場(chǎng)應用來(lái)說(shuō)，Mini-LED 的應用主要有兩大方向：一個(gè)是LED 顯示屏市場(chǎng)；另一個(gè)則是背光應用市場(chǎng)。其中LED 顯示屏以及大尺寸電視將成為Mini-LED 未來(lái)應用的主流產(chǎn)品。

Mini-LED 背光TV 因其分區多、畫(huà)質(zhì)優(yōu)、造型薄已成為T(mén)V 行業(yè)重點(diǎn)預研方向之一。在使用同等燈珠規格可滿(mǎn)足整機亮度的情況下，采用動(dòng)態(tài)掃描方式控制LED 背光源，恒流驅動(dòng)IC 對LED 分區進(jìn)行矩陣式控制，可極大減少背光恒流驅動(dòng)IC 使用數量，降低系統成本，大大提高了產(chǎn)品的競爭力。目前隨著(zhù)Mini-LED 燈珠成本的下降，以及生產(chǎn)工藝的提升，Mini-LED 作為T(mén)V背光源的可量產(chǎn)性也大大提高。

1   Mini-LED系統設計原理

隨著(zhù)顯示技術(shù)的不斷發(fā)展，LED TV 對畫(huà)質(zhì)的要求日益提高，Mini-LED TV 背光技術(shù)已成為近期的熱點(diǎn)技術(shù)，行業(yè)內各廠(chǎng)家已經(jīng)投入較多的資源研究開(kāi)發(fā)。為了開(kāi)發(fā)出高性?xún)r(jià)比、系統優(yōu)的新品類(lèi)Mini-LED背光TV 產(chǎn)品，做好背光驅動(dòng)、背光控制、電源供電等技術(shù)，設計了一種系統較優(yōu)的Mini-LED 背光TV 背光驅動(dòng)及電源系統的設計方案，如圖1 所示。

圖1 Mini-LED系統設計原理圖

Mini-LED 顯示系統硬件平臺主要由主板、電源板、MCU 控制板、T-CON 板及燈板組成。其中，市電（一般為AC 220 V）通過(guò)AC 交流插座給電源板供電，電源板工作后給主板、T-CON 板、MCU 控制板及燈板供電，是Mini-LED 整機系統的供電設備。

主板為MCU 控制板提供控制信號（SPI 通信）及電源待機信號。MCU 控制板一部分為掃描控制開(kāi)關(guān)電路，用來(lái)實(shí)現燈板的掃描控制，采用掃描控制方式后，可大幅減少恒流IC 控制數量；另一部分為燈板SPI 通信，實(shí)現燈板的區域調光功能。

2   Mini-LED電源及背光控制關(guān)鍵技術(shù)

2.1 分立式雙電源供電系統設計

目前行業(yè)中高壓供電系統的電源部分易于設計，系統燈數多，為了使系統最優(yōu)，電源設計采用分立式低壓大電流雙電源供電系統架構，以減少燈數，同時(shí)，電源通過(guò)模組燈條雙路電壓反饋方式實(shí)時(shí)調節輸出電壓，做到恒流芯片開(kāi)通低損耗，有效降低恒流IC 的熱損耗。電源系統框圖如圖2 所示。

圖2 高效分立式雙電源供電系統框圖

① PFC 電路

采用交錯式PFC 方案，降低PFC 功率器件的電應力和熱損耗。

② LED 燈供電電源

采用分立式雙電源半橋諧振軟開(kāi)關(guān)技術(shù)（LLC），如圖2 所示LLC 電路1 和LLC 電路2，結合次級大電流同步整流電路1 和同步整流電路1，輸出Vout1 和Vout2 給LED 燈板供電。采用分立式雙電源供電系統可提高主電源效率，降低低壓大電流引起的熱損耗。如圖2 紅框內所示電路。

③主板供電電源

采用半橋諧振軟開(kāi)關(guān)技術(shù)（LLC），輸出+12 V 給主板供電，同時(shí)通過(guò)T-CON 切換電路，給屏體玻璃T-CON 板供電；輸出+20 V，給主板功放供電。

④待機電源

采用間歇振蕩模式（Burst mode）方案提高輕載和待機效率，一方面輸出+5 VSB 給主板做待機電源，做到待機低功耗，另一方面給恒流控制板供電。

2.2 背光源的動(dòng)態(tài)掃描技術(shù)

1）動(dòng)態(tài)掃描技術(shù)原理

Mini-LED 背光TV 因其分區多、畫(huà)質(zhì)優(yōu)、造型薄已成為T(mén)V 行業(yè)重點(diǎn)預研方向之一。目前帶有區域調光（local dimming）技術(shù)的電視，一般都采用靜態(tài)方式控制，恒流驅動(dòng)IC 對LED分區進(jìn)行點(diǎn)對點(diǎn)控制，當分區數較多時(shí)，采用靜態(tài)控制方式背光恒流IC 用量較多，電路成本較高，連接線(xiàn)多且工藝較為復雜。在使用同等燈珠規格可滿(mǎn)足整機亮度的情況下，采用動(dòng)態(tài)掃描方式控制LED 背光源，恒流驅動(dòng)IC 對LED 分區進(jìn)行矩陣式控制，可極大減少背光恒流驅動(dòng)IC 使用數量，降低系統成本，大大提高產(chǎn)品的競爭力。

由于分區多，采用傳統靜態(tài)控制方式，恒流控制IC 數量多，熱損耗大，成本高，因此，在TV 行業(yè)內采用掃描方式實(shí)現燈板的控制，該方案采用掃頻LED 共陽(yáng)極方式設計，由掃描MOS 管分時(shí)控制LED+ 的開(kāi)通與關(guān)斷，MCU 控制板對LED 分區進(jìn)行矩陣式控制。在此，以聚積48CH的恒流驅動(dòng)IC，以N 掃描方式設計為例，掃描方式的原理框圖如圖3 所示。

圖3 Mini-LED掃描原理圖

該系統采用N 行動(dòng)態(tài)掃描方式設計，掃描方式的原理框圖具體參見(jiàn)圖3。LED 燈條的陽(yáng)極供電VLED 由N個(gè)MOS 管控制，MOS 管的驅動(dòng)由MCU 控制器模塊端口提供。當MCU 控制器模塊及恒流驅動(dòng)板的供電VCC穩定后，MCU 控制模塊對恒流驅動(dòng)板進(jìn)行寄存器初始化，初始化完成后，MCU 控制模塊檢測是否有主板SPI數據輸入，若有，則將數據信息分配到相對應的恒流驅動(dòng)板中，若無(wú)數據輸入，MCU 控制模塊保持等待狀態(tài)，所述數據信息包括LED 燈條的亮度及調光信息等。MCU 控制模塊通過(guò)檢測GCLK 信號作為計數信號，依次控制行掃描MOS 管的開(kāi)通與關(guān)斷，行掃描的開(kāi)通順序為行掃1 到行掃N，不斷地循環(huán)開(kāi)通，恒流驅動(dòng)通過(guò)對LED- 端口的開(kāi)通與關(guān)斷，精確控制每一個(gè)LED 燈分區，每一幀畫(huà)面亮度信息的切換通過(guò)Vsync 信號實(shí)現，當檢測到Vsync 信號為高電平時(shí)，恒流驅動(dòng)板刷新一次畫(huà)面亮度信息，通過(guò)以上可實(shí)現對LED 背光源的動(dòng)態(tài)掃描控制，從而到達減少恒流驅動(dòng)板數量，降低系統成本的效果。

該方案支持4 線(xiàn)SPI 通信，通信從CS_N 由高到低轉換開(kāi)始，串行數據輸入（SDI）上的數據在串行時(shí)鐘（SCLK）的上升緣鎖存。該協(xié)議由4 比特讀/ 寫(xiě)命令、12 比特內存地址（Address），和16 比特數據（Data）組成，地址和數據從最高位（MSB）先發(fā)送，時(shí)序如圖4 所示。

圖4 Mini-LED SPI時(shí)序圖

2）MCU 控制及掃描切換技術(shù)

本方案采用低成本的MCU 控制方式替代業(yè)內普遍使用的FPGA 方案控制，SPI 頻率可支持到100 MHz，滿(mǎn)足系統傳輸數據要求，并為后續預留了一定的擴展空間。同時(shí)，設計開(kāi)發(fā)掃描低延時(shí)切換掃描電路，滿(mǎn)足系統恒流控制掃描切換的要求。MCU 控制及掃描切換技術(shù)系統如圖5所示。

圖5 MCU控制及掃描切換技術(shù)系統框圖

3   結束語(yǔ)

本文詳細介紹了新型顯示技術(shù)Mini-LED 背光在TV 上應用時(shí)的電源及背光控制系統，并給出了關(guān)鍵技術(shù)原理，即掃描控制背光區域調光技術(shù)、高效分立式雙電源供電系統設計及MCU 控制及切換技術(shù)，滿(mǎn)足系統設計要求，是一種系統較優(yōu)的Mini-LED 背光TV 背光驅動(dòng)及電源系統的設計方案，對Mini-LED 電視的開(kāi)發(fā)及推廣應用具有重要的借鑒和參考意義。

參考文獻：

[1] 鐘炎平,電力電子電路設計[M].武漢:華中科技大學(xué)出版社,2010.

[2] 康華光,電子技術(shù)基礎[M].北京:高等教育出版社,2009.

[3] 張占松,蔡宣三.開(kāi)關(guān)電源的原理與設計[M].北京:電子工業(yè)出版社,2004.

（本文來(lái)源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2021年10月期）