中大尺寸LCD背光應用的LED驅動(dòng)方案

摘要:   本文簡(jiǎn)要介紹了LED的基本光電特性，并解釋了需要恒流驅動(dòng)LED及PWM調光的原因。在此基礎上，介紹了目前應用在中大尺寸LCD背光上的幾種LED驅動(dòng)方案，并簡(jiǎn)要比較了各自的優(yōu)點(diǎn)和不足。

關(guān)鍵詞:  LCD; 背光; LED; 恒流驅動(dòng); PWM調光

LED背光源取代冷陰極管背光源已成為趨勢

面對全球環(huán)境保護意識日益高漲，產(chǎn)生了針對含有對環(huán)境有害物質(zhì)的電子產(chǎn)品的限制與歐盟電子電機設備中有害物質(zhì)禁用指令(RoHS)。因此全球各地液晶顯示屏(LCD)面板、模塊廠(chǎng)商均積極地尋求冷陰極熒光燈(CCFL)的替代解決方案。

與傳統CCFL背光源相比，LED除了因為不含汞，符合環(huán)保要求之外，還具有色彩還原好、響應速度快、節能、安全、壽命長(cháng)、體積小等優(yōu)點(diǎn)。LED所具有的這些優(yōu)勢，正吸引著(zhù)越來(lái)越多的廠(chǎng)商開(kāi)始研制LED背光源, 在小尺寸的背光應用中, LED背光源已經(jīng)基本取代了CCFL, 而成為背光源的主流, 而全球中大尺寸液晶屏模塊，特別是大屏幕液晶電視的大幅增產(chǎn)必然帶動(dòng)其背光的產(chǎn)量提升。在中大尺寸液晶屏的應用中，LED背光源取代冷陰極管背光源也已成為趨勢，未來(lái)必將成為L(cháng)ED產(chǎn)業(yè)增長(cháng)的熱點(diǎn)。

與用在手機等便攜式產(chǎn)品上的小尺寸液晶屏的LED背光驅動(dòng)方案不同，當液晶屏的尺寸逐漸增大時(shí)，需要幾十甚至幾百個(gè)高亮度LED同時(shí)點(diǎn)亮以提供足夠的光源。 這往往意味著(zhù)更高的驅動(dòng)電壓，更大的驅動(dòng)電流，更嚴格的散熱要求，更靈活的控制方式，更重要的是LED之間的電流匹配與均流。這就對中大尺寸液晶顯示屏的LED背光驅動(dòng)提出了更高的要求。

LED的光電特性及其驅動(dòng)器要求

在了解LED的基本光電特性的基礎上，電源驅動(dòng)才能匹配LED的特定需要，才能夠實(shí)現更完善的驅動(dòng)策略。

LED實(shí)際上也是一種半導體器件。在LED的制造過(guò)程中，如圖1所示， 在3英寸的LED晶圓外延片上，可以制造出大約3萬(wàn)粒左右的5mm LED的芯粒，然后再進(jìn)行封裝，測試，分揀，最后才能夠得到可以使用LED產(chǎn)品。但在3英寸的外延片上制作的芯粒是可以分成很多BIN的，像藍色部分的芯粒是整塊外延片上比較好的芯粒，越往外芯粒越不穩定，最外面的邊緣地帶的芯粒，是整個(gè)外延片上質(zhì)量最差的。所以實(shí)際上一塊LED外延片上的LED芯粒的前向導通電壓值、波長(cháng)和光亮度都是不一樣的，因此可以分成很多的BIN。而不同廠(chǎng)家不同批次的生產(chǎn)過(guò)程中，由于在晶圓生成，切割，封裝等環(huán)節的環(huán)境不可能完全一致，在出廠(chǎng)前的得到的LED產(chǎn)品之間實(shí)際上存在著(zhù)較大的差異。

圖1  LED晶圓片

最后在市面上出售的LED，實(shí)際上是廠(chǎng)家已經(jīng)按照波長(cháng)和光亮等，進(jìn)行篩選和分類(lèi)之后的結果。由于LED在導通時(shí)，其電流的變化率遠大于前向導通電壓的變化率，因而測試其光學(xué)特性及分類(lèi)時(shí)，大多基于一致的額定電流值（比如20mA或者350mA），再給出前向導通電壓的變化范圍，這樣的結果，就是要獲得預期的亮度要求，并保證各個(gè)LED亮度、色度的一致性， 需要相同的驅動(dòng)電流。

同時(shí)為保證可靠性，驅動(dòng)LED的電流必須低于LED額定值的要求。而且，當環(huán)境溫度升高時(shí)所允許的額定電流會(huì )降低。由此可見(jiàn)，用LED為顯示器或其他照明設備做背光源時(shí)，需要對其進(jìn)行恒流驅動(dòng)，避免驅動(dòng)電流超出最大額定值，影響其可靠性。

由于LED出廠(chǎng)前的檢測及分類(lèi)，只是基于一致的額定電流值，因而出售的LED在額定電流值附近區域，其光學(xué)特性會(huì )很一致。但在距離額定電流值較遠的區域，即使用相同的驅動(dòng)電流，LED之間的光學(xué)特性也會(huì )出現較大的偏離。需要較低亮度時(shí)，一般會(huì )直接減少通過(guò)LED的電流，這樣LED之間的亮度就可能存在很大的差異。比如，如果同樣用5mA的電流驅動(dòng)兩個(gè)額定值為20mA的LED，其總體亮度會(huì )減少，但兩個(gè)LED之間的亮度差異也會(huì )增加許多。中大尺寸LCD背光應用中需要幾十甚至幾百個(gè)高亮度LED同時(shí)點(diǎn)亮，如果其流過(guò)的電流偏離LED的額定值太多，即使流過(guò)每個(gè)LED的電流是相同的，也會(huì )出現亮度不均勻的情況。實(shí)際的運用中，一般采用PWM調光來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題。相對于模擬調光中直接控制流過(guò)LED的電流，PWM調光可以實(shí)現流過(guò)LED的電流保持在額定值，通過(guò)控制LED點(diǎn)亮或者熄滅的占空比來(lái)調節亮度，仍可以保持LED之間的亮度一致性。

中等尺寸LCD的LED背光驅動(dòng)

12英寸到17英寸的中型尺寸LCD主要應用于便攜式DVD，筆記本及車(chē)載導航儀等的顯示。其背光應用的LED驅動(dòng)策略是在小尺寸液晶屏的LED背光驅動(dòng)方案的基礎上發(fā)展起來(lái)的，并且與目前的CCFL背光驅動(dòng)在接口上盡可能相兼容，用戶(hù)只需要將其背光源由CCFL燈管換成鋁基的LED發(fā)光條，同時(shí)將高壓復雜的交流驅動(dòng)器換成低壓簡(jiǎn)單的直流驅動(dòng)器即可，其綜合成本與傳統的CCFL背光模塊相比，已經(jīng)很接近。

與小尺寸LCD的LED背光相比較, 目前中型尺寸的LED背光方案中更多地只是增加了LED的數量, 并將串并聯(lián)后LED組作為一個(gè)整體負載來(lái)考慮，通過(guò)控制流過(guò)這個(gè)LED組的總體電流來(lái)調節LCD屏的亮度。

圖2 中等尺寸LCD背光—LDO驅動(dòng)LED組

如圖2所示的LDO驅動(dòng)LED組是比較常用的驅動(dòng)方案。它充分利用了CCFL驅動(dòng)器所要求的12V的直流輸入電壓，通過(guò)外置的采樣電阻R1，設定輸出的總電流值，LDO即可保持輸出的總電流恒定，并且支持PWM調光。MAX16803可直接支持高達350mA的電流，外接BJT時(shí)，總電流可以高達2A。其系列的MAX16804將PWM發(fā)生器也集成在芯片內部，可直接支持模擬調光信號，進(jìn)一步簡(jiǎn)化的電路設計。LDO驅動(dòng)LED組最大的優(yōu)勢在于電路非常簡(jiǎn)單，而且基本沒(méi)有EMI的問(wèn)題，比較適合和LED燈組做在一起，直接放置在LCD屏內。其主要的問(wèn)題是效率比較低，因為輸入電壓和LED組所需要的實(shí)際驅動(dòng)電壓之間的電壓差都加在MAX16803這個(gè)LDO上，當這個(gè)壓差比較大時(shí)，不僅整體效率低，而且MAX16803發(fā)熱比較大。而且由于LED組內部并聯(lián)的各LED串之間并不存在均流機制，只能依靠選擇前向導通電壓比較一致的LED來(lái)盡可能地減少串與串之間電流分配不均的影響。

為提高整個(gè)LED組的驅動(dòng)效率，用開(kāi)關(guān)電源代替LDO是最直接的方法，如圖3所示。相對于LDO的驅動(dòng)，用開(kāi)關(guān)電源最大的好處是提高了整體的驅動(dòng)效率。MAX16819的輸入電壓在4.5V-28V，使得LED背光模組既可以兼容原來(lái)CCFL的輸入電壓，也可以由電池或者適配器直接供電，減少電源變換環(huán)節，提高系統的整體效率。并且，此方案也直接支持PWM調光。跟LDO驅動(dòng)LED組一樣，即使用開(kāi)關(guān)電源驅動(dòng)LED組也無(wú)法從根本上解決各LED串之間電流分配不均的影響。

圖3 中型尺寸的LCD背光—開(kāi)關(guān)電源驅動(dòng)LED組

LED組的總電流控制不能實(shí)現各個(gè)LED串之間的電流平均分配，即使選擇電氣參數較為一致的LED(這意味著(zhù)LED成本會(huì )有大幅上升)，在相同的驅動(dòng)電壓下，LED組中總導通電壓高的LED串，可能導通不充分；總導通電壓低的可能過(guò)導通，流過(guò)超出其額定值的電流，結果就是發(fā)光不太均勻而且有的LED可能會(huì )提前損壞。為消除這種隱患，可結合開(kāi)關(guān)電源與LDO各自的特點(diǎn)，LED組的總供電由開(kāi)關(guān)電源來(lái)實(shí)現，提高系統整體效率；每一串（即每一條支路）中串聯(lián)的LDO來(lái)檢測通過(guò)此支路LED中的電流，LED組共用的總輸出電壓與各LED串實(shí)際前向導通電壓之間的電壓差由串聯(lián)的LDO承擔，從而實(shí)現各串之間的電流相同。如圖4所示，在每一個(gè)LED支路的回路中，MAX16807均內置了一個(gè)LDO，根據通過(guò)的LED電流，可自動(dòng)調節輸入端口的電壓值，即每一串LED支路上的實(shí)際負載電壓，使之每條支路的LED電流均與設定的值一致。系統還可以通過(guò)I2C控制每一支路上LED的開(kāi)關(guān)及PWM調光的占空比。

圖4 中等尺寸的LCD背光—開(kāi)關(guān)電源+LDO驅動(dòng)8串LED

大型尺寸LCD的LED背光驅動(dòng)

21英寸及其以上的LCD屏主要應用于大屏幕液晶電視等的顯示。大屏幕液晶電視有更大的顯示面，并且要求更高的亮度，就需要使用更多的，更大功率的LED。對于驅動(dòng)而言，則必須保證給每條支路都能夠提供足夠的驅動(dòng)電流，并使各LED支路之間的電流能夠匹配。

MAX16809/MAX16810跟MAX16807有類(lèi)似的架構，但可直接驅動(dòng)16路LED支路，每路的電流可以達到55mA，每路的電壓也可達到36V，可直接驅動(dòng)224個(gè)紅色LED或者160 個(gè)白光，藍光或者綠光LED。如圖5所示，對于大屏幕液晶電視的上千個(gè)背光LED的驅動(dòng)任務(wù)來(lái)說(shuō)，是一個(gè)性?xún)r(jià)比較高的方案。

圖5 大型尺寸的LCD背光—MAX16809驅動(dòng)16串LED

另一種可行的方案是在整體亮度不變的前提下，增加單個(gè)LED的發(fā)光量，這樣可以減少LED的數目，提高系統的整體可靠性。比如用350mA的大功率高亮度LED代替20mA的小功率高亮度的LED，如圖6所示，用MAX5094將電壓升到近40V，然后用三片MAX16803分別驅動(dòng)紅，綠，藍色的單顆功率為1W的大功率高亮度LED串，每串可串聯(lián)10顆LED，并通過(guò)各自的PWM引腳進(jìn)行數字調光，再將不同亮度的這三種基色進(jìn)行混光，可形成幾乎任意可控的色彩。

圖6 大型尺寸的LCD背光—開(kāi)關(guān)電源+LDO驅動(dòng)350mA的R G B 的LED串

結語(yǔ)

LED背光源取代冷陰極管背光源已成為趨勢，中大尺寸的LCD的LED背光驅動(dòng)在各方面的利好因素帶動(dòng)下，正穩步推進(jìn)。隨著(zhù)高亮度LED的價(jià)格瓶頸漸漸打破，LED的光效不斷提升，LED的背光應用將越來(lái)越普遍。而LED的驅動(dòng)方案，始終緊貼LED的特性，確保最大限度地發(fā)揮出LED的優(yōu)勢，隨著(zhù)LED的改變，也將不斷涌現出新的驅動(dòng)方案。

參考文獻：

1.MAX16803數據手冊, Maxim公司
2.MAX16809/MAX16810數據手冊, Maxim公司