白光LED背光源驅動在液晶電視中的設計與應用

一、背景技術

以白光LED 作為背光源的液晶電視正逐步取代當前占市場主流的CCFL背光源液晶電視。盡顯LED 背光電視的超薄，長壽命，環(huán)保，節(jié)能燈優(yōu)點。相對于CCFL 背光源，白光LED 背光源具有以下優(yōu)勢：

1）環(huán)保，白光LED 采用半導體技術發(fā)光，內部不含汞等有害物質，相對于含汞的CCFL 燈管，符合當前全世界環(huán)保需求。

2）低功耗，目前白光LED 100lm/w 左右的發(fā)光效率使液晶電視背光源功耗大大下降，相對于同等亮度的CCFL 背光源，功耗降低30% 以上。

如果采用動態(tài)局部調光技術，將可以進一步降低功耗。

3）長壽命，LED 使用壽命長達10 萬小時，可以大大延長液晶電視的使用壽命。

4）光學特性好，LED 背光源有更好的色域和對比度。其色彩表現(xiàn)力強于CCFL 背光源，可對顯示色彩數(shù)量不足的液晶技術起到很好的彌補作用，色彩還原好。

5）超薄，特別是側邊式白光LED 背光技術的應用，使超薄型液晶電視成為可能。

6）安全，LED 使用的是低壓直流驅動電源，十分安全，供電模塊的設計相較CCFL 高壓驅動也更為簡單。

市場方面，以韓國三星為代表的電視廠商全面推廣側邊式LED 背光（Edge Light），該技術由于成本低，功耗低，超薄等優(yōu)勢迅速成為市場主流。

二、LED的伏安特性及案例需求

而關于白光LED 驅動設計，也成為半導體行業(yè)的一大熱點。而選擇一個好的LED 驅動設計方案，首先必須了解LED 本身的電氣特性。

如圖1 所示，額定電流20mA，正向導通電壓3.3V 的LED 的伏安特性曲線：可以看出LED電流隨電壓變化大的特性。由于LED 電流直接決定了亮度的輸出，所以必須采用控制電流恒定為前提的驅動芯片，而正向導通電壓由該電流決定。

圖1 白光LED 的伏安特性曲線

現(xiàn)以CCFL Inverter 控制芯片和LED 驅動芯片領域具有領先地位的美國公司O2Micro 的LED 恒流控制芯片OZ9967 為例，設計一款應用于32”LED 背光源的液晶電視LED 驅動方案。32” LED背光液晶電視采用6 通道120mA 白光LED，每通道串聯(lián)25 顆LED，總共150 顆LED。

三、驅動方案介紹

OZ9967 方案主要特點：

1）高頻升壓變換器

2）6 通道電流平衡恒定控制

3）實現(xiàn)外部和內部PWM 調光控制

4）輸入欠壓鎖定

5）Mosfet 過流保護

6）LED 短路保護

7）LED 過流保護

8）LED 開路保護

9）二極管開路保護

10）輸出短路保護

該芯片功能結構圖如圖2 所示。

圖2 芯片功能結構圖

Pin 腳功能定義：

Pin1-Pin11, Pin28 ： LED 電流檢測和相應的補償反饋。LED 電流設定如下：

Pin12 ：功率地，Pin16 為信號地。

Pin13 ：升壓驅動，驅動電壓為5V。

Pin14 ：為芯片內部5V 參考電壓輸出。

Pin15 ：為升壓驅動信號工作頻率設定，為0-1.7V 鋸齒波：

Pin17 為MOSFET 峰值電流檢測，當該點電壓達到0.5V 時，芯片會認為Mosfet 過流同時關掉驅動信號直到下一個周期重新恢復。正常工作條件下，該點電壓在0 . 2 ~ 0 . 3 V 左右。

Pin18 ：芯片供電輸入，工作范圍6V~40V。

Pin19：使能輸入，當信號高于2V 芯片啟動，低于0.8V 芯片停止工作。

Pin20 ：軟啟動和環(huán)路補償。

Pin21 ：內部PWM 調光頻率設定。

當選用外部PWM 調光時，通過分壓電阻將該Pin 設置在1V 左右。

Pin22 ：輸入電壓欠壓鎖定，當該Pin 電壓低于1.4V， 芯片停止工作， 當電壓超過1.5V，芯片恢復工作狀態(tài)，可通過電阻分壓網絡對輸入電壓進行設定。

Pin23 ：調光?？山邮芫€性電壓實現(xiàn)內部PWM 調光，當線性輸入電壓大于1.5V 為最大亮度100% 而小于0.1V 為最低亮度0%，調光頻率通過Pin21 設定。如果要實現(xiàn)外部PWM 調光，則只需設定Pin21 為1V 左右，輸入0V~3.3V 的PWM 信號即可實現(xiàn)外部PWM 調光，亮度跟隨所輸入的PWM 占空比改變而調節(jié)。

Pin24 ：狀態(tài)輸出，正常工作條件下，該Pin為高阻抗信號，當LED 出現(xiàn)開路短路等異常，該Pin 將輸出一個低電平信號，該Pin 可作為給主板的異常報警信號或者作為保護動作信號。

Pin25 ：定時，配合Pin26 工作。

Pin26 ：過壓檢測，通過分壓電阻檢測輸出電壓，當該Pin 電壓超過2.37V，升壓驅動信號關閉，如果LED 通道全部連接好，Pin25 將開始充電，充電至3V 時，LED 平衡電路將關閉同時該Pin 開始放電，當放電至0.1V 時，平衡電路重新開始工作。在任何時候，當該Pin 電壓下降至2.27V 時，升壓驅動信號重新啟動恢復正常工作。

如果至少一個LED 通道開路，當該Pin 電壓升至2.37V 時驅動信號關閉，Pin25 不會動作，當輸出電壓下降使該Pin 降至2.27V 時，驅動信號恢復并且忽略掉開路的LED 通道繼續(xù)正常工作。當輸出電壓短路到地或者肖特基二極管開路，輸出電壓下降使該Pin 電壓下降至0.1V 時，芯片將關閉驅動信號，當該Pin 電壓恢復至0.1V 以上時，芯片恢復工作。

Pin27 ：LED 短路范圍設定，該Pin 電壓通過電阻網絡設定，當任何一路LED 電流檢測的補償Pin（COMP1-6）電壓高于該Pin 電壓的4 倍，則該LED 通道將會被關閉，其他通道正常工作。

四、參數(shù)計算與確認

由于輸出為25 顆LED 串聯(lián)，6 通道， 所以輸出電壓約為25×3.3V=82.5V，實際上準確的輸出電壓由120mA 電流經過LED 燈產生的壓降決定。輸入VIN=24V，則需采用升壓電路（BOOST） 將24V 升至約82.5V， 該升壓線路由一顆電感，一顆Mosfet，一顆肖特基二極管，以及輸出電解電容組成。OZ9967 通過檢測電阻檢測LED 電流經過負反饋調節(jié)Pin13 驅動信號占空比D，使電感在Mosfet 開通時存儲能量關斷時釋放能量，從而得到所需要的最高輸出電壓。

OZ9967 基本電路原理圖如圖3 所示。

圖3 OZ9967 基本電路原理圖

關鍵元件選擇

1. 電感

假設電感工作在臨界模式，通過升壓電路原理，可得如下公式：

其中Vout=82.5V， 最大輸出電壓=24V， 輸入電壓T=5us，工作頻率，通過電阻電容可自主設定，現(xiàn)假設為200KHz。

ILED=720mA，輸出LED 總電流，120mA×6。

D 為OZ9967 驅動占空比。

所以可得D=0.71臨界電感L=17μH。

當L>17μH 時，升壓電路工作在連續(xù)模式；當L17μH 時， 升壓電路工作在不連續(xù)模式，故可選用L=22μH，升壓電路工作在連續(xù)模式。

再計算電感峰值電流：

可得電感峰值電流Ip=5A。

所以可選用22μH/6A 的電感。

2. Mosfet

Mosfet 峰值電流和電感峰值電流相等為5A。

其均方根電流可由下式得到：

可得Irms=3.2A。

由于Mosfet 關斷時肖特基二極管導通，其漏極電壓為0.2+82.5=82.7V。

考慮關斷尖峰及裕量，可選用150V/10A 的Mosfet。

3. 肖特基二極管選擇

肖特基二極管峰值電流和電感一樣為5A，關斷時反向電壓為82.5V，考慮關斷尖峰及裕量，可選用150V/10A 的肖特基二極管。

4. 輸出電解電容的選擇

考慮1% 的輸出電壓紋波，則可得Cout=3μH，可選用100V/4.7μH 的電解電容。

5. 電流檢測電阻

可得6 路檢測電阻RIsen=2.54Ω6. 電流平衡三極管選擇。

正常情況下， 該三極管通過120mA 電流，其功耗P=120mA*Ve 取決于射極電壓值。由于LED 等本身的正向導通電壓容差，將會導致三極管射極電壓值升高，使其功耗增大。當設計要求短路任何一個通道里面的一顆LED 能正常工作時，該三極管射極電壓Ve 將增加3.3V，功耗增加0.4W。當設計要求短路任何一個通道里面的兩顆LED 能正常工作時，該三極管射極電壓Ve 將增加6.6V，功耗增加0.8W ，依此類推，該三極管功耗選擇根據(jù)設計要求選擇其最大功率。通過設計Pin27 電壓Vs，當三極管射極電壓Ve 增加至大于4Vs 時，OZ9967 芯片將關閉該通道防止功率三極管過熱損壞，其他通道正常工作。

五、小結

白光LED 背光源液晶電視的背光驅動設計關鍵在于保證每顆LED 正常工作以及調光時的電流穩(wěn)定和平衡，以確保白光LED 的優(yōu)良光學特性，但是由于LED 正向導通電壓的容差比較大，這些電壓容差會產生多余的功耗需要被吸收。

OZ9967 芯片方案利用其外置的功率三極管實現(xiàn)電流穩(wěn)定和平衡并吸收多余的功耗，芯片本身工作溫度很低，這樣就確保芯片能長時間安全穩(wěn)定的工作。經過測試，該芯片設計出的驅動板各項性能全部達到設計要求。可實現(xiàn)PWM 調光，屏幕無閃爍。功率器件溫度在60℃以下。