保護機制全面啟動(dòng) LED背光模組安全性大升級

　　現今已有越來(lái)越多電子產(chǎn)品采用LED背光模組，為確保背光模組性能，LED驅動(dòng)IC的保護功能已格外受到重視。良好的保護機制必須針對拓撲的輸入、輸出與LED背光等部分，進(jìn)行全面且完善的考量，并要同時(shí)兼顧高LED驅動(dòng)電流能力與電流平衡。

　　然而，在LED背光模組開(kāi)始大放異彩的同時(shí)，不得不同時(shí)思考著(zhù)LED背光模組失效模式的預防，這可避免因其失效而產(chǎn)生使用安全性的疑慮，尤其當應用場(chǎng)合從家庭慢慢延伸至公共場(chǎng)合時(shí)，LED驅動(dòng)積體電路(Driver IC)保護動(dòng)作機制就顯得格外重要。

　　目前LED驅動(dòng)IC主要保護機制分為對拓撲架構的保護，例如過(guò)電壓保護(Over Voltage Protection, OVP)、過(guò)電流保護(Over Current Protection, OCP)、短路保護(Short Circuit Protection, SCP)，其相關(guān)保護不外乎針對電性應用上的保護，或者是模組端、系統端制程相關(guān)的保護，而目的均以安全考量或不損壞系統端元件；還有對LED燈條端的保護，例如LED開(kāi)路保護(LED Open Protection, LOP)、LED短路保護(LED Short Protection, LSP)；由于LED屬于半導體物理元件，過(guò)高的操作電壓及長(cháng)時(shí)間的操作電流皆會(huì )造成LED元件損傷，因此如供電電壓不穩、LED線(xiàn)路間或本身品質(zhì)因素造成短路，或是開(kāi)路都會(huì )使LED失效造成亮度差異，進(jìn)而影響面板畫(huà)面品質(zhì)及LED的壽命。本文將針對不同的保護機制動(dòng)作原理及判斷機制做深入的探討。

　　LED背光保護機制各有專(zhuān)長(cháng)

　　一般應用于LED驅動(dòng)的拓撲架構均以提供LED穩定電流為目標，再以輸出與輸入的電壓關(guān)系選擇適合的拓撲架構；相較于目前的應用，LED亮度與電流、應用的數量成正比，所以為求高亮度與多顆LED串聯(lián)，其多串并聯(lián)使用為現今背光模組大多數的應用方式。

　　而其所須提供驅動(dòng)LED的電壓也相較比輸入電壓高；此時(shí)升壓式轉換器(圖2)就是一個(gè)相當不錯的拓撲架構，但因其為升壓架構，若有任何異常發(fā)生時(shí)，異常的高電壓輸出與高輸入電流將是設計人員考慮的必要因素。

圖2 升壓轉換器+多通道 電流平衡

　　若把需配合電源系統的交流轉直流的因素考慮進(jìn)來(lái)，時(shí)下返馳式(Flyback)、半橋諧振(LLC)(圖3)配合電流均流IC回授控制前級均是目前應用的主流。在此，將針對拓撲端的失效模式與LED端的失效模式應具備的保護機制逐一介紹。其相關(guān)LED背光保護機制有OVP、輸入過(guò)電流保護、輸出過(guò)電流短路保護、LED開(kāi)路保護、LED短路保護、過(guò)溫保護。

圖3 多通道電流平衡

　　輸出過(guò)電壓保護的LED驅動(dòng)多為升壓式轉換器(圖4)，如未有過(guò)電壓保護，在回授訊號異常時(shí)，輸出電壓有可能超出元件所能承受電壓，造成元件及LED損壞。因此LED驅動(dòng)器的過(guò)電壓保護設定保護點(diǎn)須考量LED最大操作電壓(圖5)，以求能正確保護LED及其他元件，且不會(huì )因為L(cháng)ED的零件誤差造成保護誤動(dòng)作。

圖4 LED驅動(dòng)器過(guò)電壓保護區塊

圖5 LED驅動(dòng)器過(guò)電壓保護時(shí)段

　　輸入過(guò)電壓保護主要是保護開(kāi)關(guān)元件N型金屬氧化物半導體場(chǎng)效電晶體(NMOS)及防止電感L發(fā)生飽和現象(圖6)，當輸入電流過(guò)大時(shí)，升壓式轉換器會(huì )強制關(guān)閉NMOS(圖7)，限制最大輸入電流。

圖6 LED驅動(dòng)器過(guò)電流保護區塊

圖7 LED驅動(dòng)器過(guò)電流保護時(shí)機

　　輸出過(guò)電流短路保護(圖8)是當升壓式轉換器的二極體(Diode)未連接或輸出短路到地時(shí)，LED驅動(dòng)IC會(huì )判斷回授系統異常，進(jìn)而關(guān)閉LED驅動(dòng)IC以防止能量繼續輸出而導致整個(gè)轉換器的損壞或系統的燒毀(圖9)。

圖8 LED驅動(dòng)器短路保護區塊

圖9 LED驅動(dòng)器短路保護時(shí)機

　　LED開(kāi)路保護是由于LED因本身品質(zhì)不良或光條連接系統間，發(fā)生連接不良開(kāi)路現象時(shí)(圖10)，VD電壓會(huì )接近0伏特(V)，此時(shí)Boost升壓轉換器會(huì )因無(wú)偵測到回授訊號進(jìn)而將輸出電壓Vout提高，如未有LED開(kāi)路保護將異?；芈窂纳龎恨D換器回授控制中隔離，則多余電壓會(huì )跨于正常工作的LED驅動(dòng)或外部穩流NMOS上(圖11)，其公式為：PD=ILED×Ve。將會(huì )造成元件過(guò)熱的問(wèn)題發(fā)生。

圖10 LED驅動(dòng)器開(kāi)路保護區塊

圖11 LED驅動(dòng)器開(kāi)路保護時(shí)機

　　LED短路保護的用途是LED因線(xiàn)間連結接觸問(wèn)題或是LED品質(zhì)不良，LED發(fā)生短路；當LED短路發(fā)生時(shí)(圖12)，多余電壓會(huì )跨在LED驅動(dòng)或外部穩流NMOS上，其公式為PD=ILED×VLED-Short。當LED短路顆數過(guò)多時(shí)，LED驅動(dòng)及NMOS會(huì )有過(guò)溫的現象發(fā)生(圖13)。

圖12 LED驅動(dòng)短路保護區塊

圖13 LED驅動(dòng)器短路保護時(shí)機

　　檢測溫度功能可避免照明中斷

　　過(guò)溫度保護的過(guò)溫度失效模式約來(lái)自于兩大部分，首先是使用高亮度LED做光源時(shí)，相對的其產(chǎn)生的熱也較高。當此類(lèi)LED在應用時(shí)，雖可發(fā)出足夠的光及有效減少LED的使用數目，但其所產(chǎn)生的另一個(gè)副作用即是熱。在正常的使用條件下，多少LED電流會(huì )對LED產(chǎn)生多高的溫度是可預期的。但當故障發(fā)生時(shí)，過(guò)高的溫度會(huì )使LED的亮度產(chǎn)生衰減甚至會(huì )損壞LED，此時(shí)IC須有偵測溫度的功能，當偵測到異常高溫時(shí)，可降低LED電流而降低亮度使其溫度降低，待溫度持續降低到可接受值時(shí)，再提高LED的亮度，此保護功能可避免因異常溫度引起的照明中斷；相對的亦可停止LED輸出電流的供應使照明中斷。其次，當LED短路或其他使IC本身發(fā)生異常之高溫，此時(shí)須由IC本身之過(guò)溫度保護偵測動(dòng)作來(lái)保護異常動(dòng)作的持續發(fā)生，以避免相關(guān)的安全性問(wèn)題發(fā)生。

　　兼顧高LED驅動(dòng)電流/電流平衡　高整合度解決方案大展身手

　　LED取代冷陰極燈管(CCFL)做為背光源應用于筆記型電腦、桌上型顯示器、電視等10寸以上大尺寸面板，其LED背光源模組的背光驅動(dòng)IC保護功能整合就更顯得格外重要，綜觀(guān)上文敘述， LD7889能夠針對拓撲之輸入、輸出與LED背光提供一完整且全面的保護，且其為一將升壓架構與電流平衡高度整合的LED解決方案，可以針對各串LED電流提供高精度之電流平衡度(2%)，高LED電流之驅動(dòng)能力，如每一個(gè)LED串=240毫安培(mA)，對于三維(3D)的應用也能提供如2毫秒(ms)，400毫安培/每串瞬間高電流的LED驅動(dòng)能力。就其全面的失效保護功能以及兼顧高LED驅動(dòng)電流能力與電流平衡的高精度考量之下，LD7889確實(shí)為一優(yōu)異的LED背光驅動(dòng)解決方案。