LED背光應用的特點(diǎn)及需求

在越來(lái)越多的新興需求和綠色節能趨勢推動(dòng)下，能夠提升電源能效的電源和電源管理技術(shù)的應用將快速增長(cháng)，背光就是一種典型的應用需求。雖然目前液晶電視的背光源仍以傳統冷陰極熒光燈(CCFL)為主，但隨著(zhù)全球節能環(huán)保意識的日益增強，新型發(fā)光二極管(LED)背光源已廣受關(guān)注，成為CCFL的有力競爭者。在便攜式應用方面，液晶背光LED驅動(dòng)方案更需要滿(mǎn)足高能效、延長(cháng)電池使用時(shí)間、減小印制電路板面積等要求。本文將結合安森美半導體的解決方案探討背光市場(chǎng)和應用的特點(diǎn)及需求。

　　背光應用的需求和挑戰

　　LED具有高色彩飽和度、環(huán)保耐用等優(yōu)點(diǎn)，已在各種中小尺寸LCD面板中大量應用，目前正逐步向筆記本電腦、液晶電視等大中型LCD背光源市場(chǎng)滲透。2009年液晶電視采用LED背光的比例僅為3%，在未來(lái)三四年內，將可迅速攀升至40%至50%，為開(kāi)發(fā)LED驅動(dòng)器方案的廠(chǎng)商帶來(lái)了巨大商機。

　　與CCFL相比，LED背光源的色彩表現更具優(yōu)勢。LED采用5 V～24 V低壓驅動(dòng)，非常安全，驅動(dòng)電路設計較為簡(jiǎn)單，也非常節電。LED不使用對環(huán)境有害的汞，也就不存在汞泄漏等問(wèn)題。LED技術(shù)也面臨著(zhù)一些挑戰，如發(fā)光效率較低、成本高、價(jià)格昂貴。隨著(zhù)LCD背光向多種LED技術(shù)轉移，設計工程師還要應對電源管理、熱管理和色彩管理等新的挑戰。

　　目前，汽車(chē)電子、移動(dòng)設備、LCD背光、可尋址標志及通用照明等都是LED技術(shù)的潛在應用領(lǐng)域，其中LCD背光將成為L(cháng)ED技術(shù)的下一個(gè)主戰場(chǎng)。

　　此外，電池供電的便攜式應用功能越來(lái)越多，尺寸也越來(lái)越小巧，使得這些設備的功率需求也越來(lái)越高。采用低功率LED驅動(dòng)器更有助于節省功耗，延長(cháng)電池壽命，給消費者帶來(lái)更好的使用體驗。

　　安森美半導體的多樣化背光解決方案

　　1. 中大尺寸液晶電視LED背光方案

　　LED背光液晶電視主要有側光式和背光式兩種方案，其電源管理的重要要求就是提高能效;另外，由于LED背光液晶電視以超薄外型為重要賣(mài)點(diǎn)，其電源管理方案更要以低高度來(lái)配合纖薄設計，還要顧及散熱、降低電磁干擾、不同通道亮度匹配、調光及故障診斷和保護等問(wèn)題。

　　(1)側光式方案：安森美半導體的高性?xún)r(jià)比多通道線(xiàn)性L(fǎng)ED側光式方案在半橋轉換段采用NCP1397初級側控制器和500 V高壓MOSFET NDF05N50，以及6通道線(xiàn)性L(fǎng)ED驅動(dòng)器CAT4026。CAT4026是用于大尺寸側光式LED背光液晶電視的高性?xún)r(jià)比多通道線(xiàn)性L(fǎng)ED驅動(dòng)器，可以單顆IC支持6個(gè)通道，易于分級為多達12個(gè)或18個(gè)通道(相應采用2個(gè)或3個(gè)控制器)，目標能效高于90%，典型能效達94%;提供±2%的極佳電流匹配精度及1%的400 Hz PWM調光范圍，并采用外部功率雙極結晶體管實(shí)現更好的散熱。

　　該方案由LED背光轉換器(NCP1397等)和LED控制器(CAT4026等)組成(見(jiàn)圖1)，支持低高度LED背光液晶電視設計，電路板上高度低于8 mm，總高度低于12.5 mm，還可以?xún)?yōu)化處理寬范圍調光、散熱、故障保護等，使電源設計挑戰迎刃而解。

　　圖1：大屏幕LED背光液晶電視側光式方案(黃色背景部分)

　　(2)直下式方案：除了側光式方案，安森美半導體還提供基于NCP1397、NDF05N50和NCP1034的直下式降壓驅動(dòng)方案。NCP1034采用高達500 kHz的可編程開(kāi)關(guān)頻率驅動(dòng)一對外部N溝道MOSFET，能夠靈活調節集成電路的工作，以符合系統級要求。另外，內部1.25 V參考電壓可以對輸出電壓精密穩壓，用于低壓應用。該器件具有預防電氣故障的保護特性，如欠壓鎖定和斷續(hiccup)電流限制，在發(fā)生故障時(shí)可提供系統級安全性。其優(yōu)勢包括驅動(dòng)高能效場(chǎng)效應管(FET)及為1顆或多顆器件提供固定頻率。

　　安森美半導體還為L(cháng)ED背光液晶電視提供了更多一站式方案，包括功率因數校正(PFC)、待機開(kāi)關(guān)電源，以及相關(guān)的整流器、運算放大器、MOSFET及分立器件等。

　　2. 便攜式設備LED背光方案

　　對便攜式電子設備設計人員來(lái)說(shuō)，高效能和小尺寸通常是最優(yōu)先考慮的因素。安森美半導體推出了各種為便攜式設備優(yōu)化的LED背光方案，如用于扣式電池供電設備的低功率LED背光驅動(dòng)器，以及用于手機和數碼相機等的LED背光驅動(dòng)器，以配合客戶(hù)在獲得小尺寸設計的同時(shí)延長(cháng)電池使用時(shí)間，推出符合用戶(hù)需求的創(chuàng )新產(chǎn)品。

　　(1)鈕扣式電池供電設備LED背光驅動(dòng)器：越來(lái)越多的創(chuàng )新型便攜設備采用了鈕扣式電池，如血糖儀、數字體溫計、血氧計、呼吸分析儀和生理監測儀等。由于這種電池的獨特特性以及需要長(cháng)工作壽命，這些緊湊型應用需要定制的LED驅動(dòng)器，不僅要管理背光，還要監測電池電量。

　　這類(lèi)應用可采用安森美半導體新的CAT3661單LED驅動(dòng)器，圖3是其應用電路圖。該器件采用安森美半導體專(zhuān)利的四模(Quad Mode)電荷泵架構，能效高達92%，靜態(tài)電流低至150 μA，提供可調節的低電池電量檢測、強固的LED故障監測、軟啟動(dòng)和短路限制等功能，采用低高度3 x 3 mm TQFN-16封裝，非常適合這類(lèi)應用。

　　圖3：為鈕扣式電池供電設備優(yōu)化的CAT3661 LED驅動(dòng)器應用電路圖

　　新元件提供了低噪聲輸入汶波和恒定開(kāi)關(guān)頻率，使用小尺寸外部陶瓷電容，進(jìn)一步節省空間及系統總成本。四模電荷泵支持2～2.5 V的寬輸入電壓，峰值效能水平比傳統高效能1.5x三模電荷泵高10%。該元件滿(mǎn)載時(shí)在所有工作模式下的典型靜態(tài)電流僅為150 μA，具備零電流關(guān)閉，可降低能耗，確保延長(cháng)電池使用時(shí)間。

　　(2)手機和數碼相機等LED背光驅動(dòng)器：安森美半導體提供線(xiàn)性、電感型和電荷泵型等不同拓撲的LED驅動(dòng)器，用于手機和數碼相機等便攜產(chǎn)品。這些驅動(dòng)方案具有高能效，可延長(cháng)電池使用時(shí)間，減小印制電路板面積和高度，實(shí)現纖薄造型。具體而言，線(xiàn)性方案適合色彩指示器和簡(jiǎn)單的背光應用，電感型方案能效最佳，電荷泵方案占板面積和高度極小，適合不同應用。

　　便攜產(chǎn)品要顯示高分辨率照片、影片或網(wǎng)頁(yè)，獲得良好的用戶(hù)體驗，就要采用較大尺寸的LCD屏幕，需要更多的LED背光。驅動(dòng)更多LED需要消耗更高功率，安森美半導體的NCP5021和NCP5890新穎驅動(dòng)器集成了環(huán)境光感測功能，根據模擬環(huán)境光傳感器的輸入自動(dòng)調節背光電流，使屏幕亮度與環(huán)境光匹配，節省電池電量。圖4是采用NCP5890的多個(gè)白光LED應用電路圖。

　　圖4：采用NCP5890的多個(gè)白光LED應用電路圖

　　NCP5890是一款獨特的照明管理器，在極小封裝中集成了LCD背光、裝飾光控制和環(huán)境光感測功能。該器件輸出電壓為30 V，可管理多達8個(gè)串聯(lián)LED，實(shí)現LCD屏幕的均衡背光。該器件還可控制三組白光LED或RGB LED，在鍵盤(pán)或底盤(pán)上營(yíng)造出裝飾光圖案。NCP5890是緊湊型智能手機和便攜式媒體播放器專(zhuān)用解決方案。

　　此外，NCP5890還內置了漸進(jìn)調光功能來(lái)營(yíng)造淡入淡出效果。環(huán)境光感測和漸進(jìn)調光都是內置的自動(dòng)化功能，可以簡(jiǎn)單IC指令激活。該器件支持IC協(xié)議，有兩種不同的地址選項，還具有真關(guān)斷(true cut-off)功能，限制關(guān)閉模式下的泄漏輸出，以延長(cháng)電池使用時(shí)間。

　　總結

　　安森美半導體身為用于綠色電子產(chǎn)品的首要高性能、高能效硅方案供應商，運用其在低壓和高壓技術(shù)、電源管理方面的專(zhuān)長(cháng)，針對背光應用提供了多樣化解決方案。除了本文著(zhù)重介紹的一些典型應用，安森美半導體還有各種為不同應用優(yōu)化的LED驅動(dòng)器，以及創(chuàng )新的GreenPoint?工具，幫助設計人員實(shí)現交互式網(wǎng)上設計及驗證，加速固態(tài)照明方案的設計。