白光LED背光源調光方案解析
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白光發(fā)光二極管(WLED)擁有許多冷陰極燈管所不及的優(yōu)點(diǎn)，如固態(tài)裝置、指向性光源等，此外，WLED能以較低的電壓進(jìn)行運作，且可在更大的亮度范圍進(jìn)行調光，以及調光時(shí)會(huì )呈現出相當線(xiàn)性的亮度變化。
目前眾多內建顯示器的電子裝置皆采用WLED型背光。若未確實(shí)了解各種方法的實(shí)作方式及優(yōu)缺點(diǎn)，并不易找到正確的LED調光方法。本文會(huì )先簡(jiǎn)略說(shuō)明LED的供電方式，接著(zhù)分述兩種LED調光方法和其優(yōu)缺點(diǎn)。透過(guò)這些信息，便能選擇適當的調光方法與LED驅動(dòng)IC進(jìn)行應用。
配置電壓調節轉換器達成WLED供電
WLED亮度會(huì )隨著(zhù)通過(guò)的電流而呈現直線(xiàn)變化，為使得各串行達到最佳的WLED電流準確度及一致性亮度，LED驅動(dòng)器應調節通過(guò)LED的電流電壓，而非調節LED兩端的電流電壓。圖1顯示如何在輸出大于LED正向電壓的總和且電壓(VLED)下降情況下，重新設定任何可調整輸出的電流調節直流對直流(DC-DC)轉換器成為穩定電源，以驅動(dòng)串聯(lián)的多顆WLED。
圖1 可調整輸出DC-DC轉換器提供通過(guò)WLED串行的穩定電流
調節電流偵測電阻(RSENSE)兩端的電壓(VSENSE)而非輸出電壓(VO)之后，驅動(dòng)器便成穩定電源，使得VO可隨著(zhù)由電壓和溫度所產(chǎn)生的ΣVLED變化自行調整。WLED的電壓降幅范圍為3～4伏特，此一降幅受到LED電流的直接影響，且與溫度成反比關(guān)系。最近的低功耗驅動(dòng)器將外部偵測電阻置換為一個(gè)或多個(gè)電流汲入，尤其是單結型場(chǎng)效應晶體管(FET)(圖2)。
圖2 含有整合式電流汲入的LED驅動(dòng)器
驅動(dòng)器有兩種功能，不僅能夠調整汲入FET的驅動(dòng)電壓以達到通過(guò)汲入FET的適當電流(相對于偏壓電流)，且能夠調整整合式DC-DC轉換器(一般為升壓轉換器)的輸出功率，使得FET具有該電流所需的最低汲源極電壓。這類(lèi)含有整合式升壓轉換器及八個(gè)整合式電流汲入的驅動(dòng)器，其中一例為T(mén)PS61195。
消弭噪音為PWM調光首要課題
為提升顯示效果，并優(yōu)化不同環(huán)境照明亮度的LED驅動(dòng)器效率，較新型LED背光電子裝置能達到較大的調光范圍。有兩種方法可用于LED調光：脈沖寬度調變(PWM)調光及模擬調光(圖3)。
圖3 采用模擬調光及PWM調光時(shí)的燈光或LED電流
為了進(jìn)行PWM調光，數字信號處理器(DSP)或微控制器(MCU)會(huì )傳送不同負載周期(D)的PWM訊號，以針對圖1所示的驅動(dòng)器啟用及停用WLED驅動(dòng)器的轉換器，或針對圖2所示的驅動(dòng)器啟用及停用電流汲入。因此，通過(guò)WLED串行的平均電流等于負載周期乘以最大電流，亦即ILEDavg = D×ILEDmax。
由于通過(guò)LED的最大電流都相同，因此PWM調光結果會(huì )呈現出相當線(xiàn)性的亮度變化。另外，由于LED發(fā)光的光譜會(huì )因電壓降幅而產(chǎn)生變化，而電壓降幅會(huì )因維持最大值的ILED而產(chǎn)生變化，因此LED背光的色度(亦即色彩、色相或實(shí)際達到白光的程度)在采用PWM調光時(shí)可達到絕佳效果。
PWM調光的關(guān)鍵缺點(diǎn)是噪音。若PWM訊號被用于啟用與停用轉換器，驅動(dòng)器的調光比例上限會(huì )受到啟動(dòng)轉換器、輸出電容充電及達到個(gè)別最大電流需要的時(shí)間所限制。即使WLED驅動(dòng)器能夠使轉換器在1MHz以上的切換頻率運作，轉換器的控制回路響應時(shí)間及/或啟動(dòng)時(shí)間亦需要數百微秒至數毫秒的時(shí)間。因此，為了讓驅動(dòng)器有時(shí)間達到最大電流，PWM調光頻率僅能系數百Hz。
陶瓷輸出電容的壓電性會(huì )造成電容以PWM訊號頻率在可聽(tīng)見(jiàn)噪音的范圍(20k～20kHz)內進(jìn)行充電及放電，此時(shí)電容便會(huì )振動(dòng)，且電容和印刷電路板會(huì )因為振動(dòng)而產(chǎn)生雜音。振動(dòng)的程度、電壓變化的振幅及陶瓷電容封裝尺寸呈正比，因此縮小電容封裝尺寸可減少雜音。
圖2顯示的驅動(dòng)器藉由將電流汲入開(kāi)啟與關(guān)閉以進(jìn)行PWM調光。另一方面，TPS61093之類(lèi)的驅動(dòng)器將FET與LED串行，FET可迅速開(kāi)關(guān)，因此驅動(dòng)器的輸出毋需LED。在這兩種情況下，第二個(gè)電壓回饋回路可提供過(guò)壓防護，且可在LED關(guān)閉時(shí)維持輸出電容的電壓。由于輸出電容的電壓變化已達到最小程度，因此能夠減少振動(dòng)及發(fā)出的聲響。
模擬調光亮度線(xiàn)性/色度待提升
模擬調光一詞系指通過(guò)LED的DC電流本身隨著(zhù)負載周期產(chǎn)生變化。若要針對圖1所示的驅動(dòng)器進(jìn)行模擬調光，DSP或MCU必須提供高于轉換器調節電壓的外部DC電壓(或低通濾波的PWM訊號)。
某些具有電流汲入的驅動(dòng)器將輸入PWM訊號濾波，然后以經(jīng)過(guò)位準偏移的訊號來(lái)驅動(dòng)電流汲入，如TPS6116x系列之類(lèi)的其他驅動(dòng)器則使用輸入PWM訊號，將負載周期用于能隙參考電壓，因此VREF=D×VREF(MAX)。由于ILED DC電流變化緩慢，因此輸出電容電壓不會(huì )有漣波。所以電容不會(huì )出現像采用PWM調光時(shí)所產(chǎn)生的振動(dòng)。
相較于PWM調光，模擬調光的另一項優(yōu)點(diǎn)是電源效率及光電轉換效率較高。尤其升壓轉換器的輸出電壓(ΣVLEDs)會(huì )因ILED降低而隨之降低。因此使用模擬調光而非PWM調光時(shí)，轉換器的輸出功率會(huì )略微降低。
由于升壓轉換器須要提供較低的輸出電壓，因此輸入電源需求會(huì )降低并使效率提高(圖4)。在混合模式調光中，驅動(dòng)器執行D最低達到6.25%的模擬調光，接著(zhù)轉換為PWM調光，以提高亮度線(xiàn)性。
圖4 混合模式調光及PWM調光的效率比較
此外，驅動(dòng)器可達到較高的光電轉換效率，這表示耗用相同的電力可達到更高的流明。然而，模擬調光也有深度調光的某些電流準確度問(wèn)題，此因回饋調節電壓或電流汲入電壓過(guò)小，而無(wú)法準確控制，此乃受限于錯誤放大器的偏移電壓所致。亮度線(xiàn)性及色度也不比PWM調光，尤其是在深度調光時(shí)(圖5)。事實(shí)上，除非將兩個(gè)相同的顯示器并置進(jìn)行比較，否則一般人很難辨別色度或線(xiàn)性的差異。
圖5 采用PWM調光及模擬調光時(shí)的LED亮度線(xiàn)性
若應用的照明需要最佳的線(xiàn)性及色度，則可達到真正PWM調光的驅動(dòng)器會(huì )是最適當的選擇。若應用對于噪聲相當敏感或需要最高的效率，則須采用模擬調光的驅動(dòng)器。若采用PWM調光驅動(dòng)器，并運用第二個(gè)回饋回路來(lái)降低輸出電壓漣波，則無(wú)法避免發(fā)出雜音?，F已有驅動(dòng)器能在調光方法之間切換，以發(fā)揮各種調光方法的最佳特性。只要能進(jìn)一步掌握LED調光選項及其優(yōu)缺點(diǎn)，選擇LED驅動(dòng)器便輕而易舉。
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