中大尺寸LCD背光應(yīng)用的LED驅(qū)動方案

摘要:   本文簡要介紹了LED的基本光電特性，并解釋了需要恒流驅(qū)動LED及PWM調(diào)光的原因。在此基礎(chǔ)上，介紹了目前應(yīng)用在中大尺寸LCD背光上的幾種LED驅(qū)動方案，并簡要比較了各自的優(yōu)點和不足。

關(guān)鍵詞:  LCD; 背光; LED; 恒流驅(qū)動; PWM調(diào)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(hù)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(jī)設(shè)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、模塊廠商均積極地尋求冷陰極熒光燈(CCFL)的替代解決方案。

與傳統(tǒng)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(yīng)速度快、節(jié)能、安全、壽命長、體積小等優(yōu)點。LED所具有的這些優(yōu)勢，正吸引著越來越多的廠商開始研制LED背光源, 在小尺寸的背光應(yīng)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)必然帶動其背光的產(chǎn)量提升。在中大尺寸液晶屏的應(yīng)用中，LED背光源取代冷陰極管背光源也已成為趨勢，未來必將成為LED產(chǎn)業(yè)增長的熱點。

與用在手機(jī)等便攜式產(chǎn)品上的小尺寸液晶屏的LED背光驅(qū)動方案不同，當(dāng)液晶屏的尺寸逐漸增大時，需要幾十甚至幾百個高亮度LED同時點亮以提供足夠的光源。 這往往意味著更高的驅(qū)動電壓，更大的驅(qū)動電流，更嚴(yán)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(qū)動提出了更高的要求。

LED的光電特性及其驅(qū)動器要求

在了解LED的基本光電特性的基礎(chǔ)上，電源驅(qū)動才能匹配LED的特定需要，才能夠?qū)崿F(xiàn)更完善的驅(qū)動策略。

LED實際上也是一種半導(dǎo)體器件。在LED的制造過程中，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(lán)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(wěn)定，最外面的邊緣地帶的芯粒，是整個外延片上質(zhì)量最差的。所以實際上一塊LED外延片上的LED芯粒的前向?qū)妷褐?、波長和光亮度都是不一樣的，因此可以分成很多的BIN。而不同廠家不同批次的生產(chǎn)過程中，由于在晶圓生成，切割，封裝等環(huán)節(jié)的環(huán)境不可能完全一致，在出廠前的得到的LED產(chǎn)品之間實際上存在著較大的差異。

圖1  LED晶圓片

最后在市面上出售的LED，實際上是廠家已經(jīng)按照波長和光亮等，進(jìn)行篩選和分類之后的結(jié)果。由于LED在導(dǎo)通時，其電流的變化率遠(yuǎn)大于前向?qū)妷旱淖兓?，因而測試其光學(xué)特性及分類時，大多基于一致的額定電流值（比如20mA或者350mA），再給出前向?qū)妷旱淖兓秶?，這樣的結(jié)果，就是要獲得預(yù)期的亮度要求，并保證各個LED亮度、色度的一致性， 需要相同的驅(qū)動電流。

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

由于LED出廠前的檢測及分類，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(qū)域，其光學(xué)特性會很一致。但在距離額定電流值較遠(yuǎn)的區(qū)域，即使用相同的驅(qū)動電流，LED之間的光學(xué)特性也會出現(xiàn)較大的偏離。需要較低亮度時，一般會直接減少通過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(qū)動兩個額定值為20mA的LED，其總體亮度會減少，但兩個LED之間的亮度差異也會增加許多。中大尺寸LCD背光應(yīng)用中需要幾十甚至幾百個高亮度LED同時點亮，如果其流過的電流偏離LED的額定值太多，即使流過每個LED的電流是相同的，也會出現(xiàn)亮度不均勻的情況。實際的運用中，一般采用PWM調(diào)光來解決這個問題。相對于模擬調(diào)光中直接控制流過LED的電流，PWM調(diào)光可以實現(xiàn)流過LED的電流保持在額定值，通過控制LED點亮或者熄滅的占空比來調(diào)節(jié)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(qū)動

12英寸到17英寸的中型尺寸LCD主要應(yīng)用于便攜式DVD，筆記本及車載導(dǎo)航儀等的顯示。其背光應(yīng)用的LED驅(qū)動策略是在小尺寸液晶屏的LED背光驅(qū)動方案的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，并且與目前的CCFL背光驅(qū)動在接口上盡可能相兼容，用戶只需要將其背光源由CCFL燈管換成鋁基的LED發(fā)光條，同時將高壓復(fù)雜的交流驅(qū)動器換成低壓簡單的直流驅(qū)動器即可，其綜合成本與傳統(tǒng)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(shù)量, 并將串并聯(lián)后LED組作為一個整體負(fù)載來考慮，通過控制流過這個LED組的總體電流來調(diào)節(jié)LCD屏的亮度。

圖2 中等尺寸LCD背光—LDO驅(qū)動LED組

如圖2所示的LDO驅(qū)動LED組是比較常用的驅(qū)動方案。它充分利用了CCFL驅(qū)動器所要求的12V的直流輸入電壓，通過外置的采樣電阻R1，設(shè)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(diào)光。MAX16803可直接支持高達(dá)350mA的電流，外接BJT時，總電流可以高達(dá)2A。其系列的MAX16804將PWM發(fā)生器也集成在芯片內(nèi)部，可直接支持模擬調(diào)光信號，進(jìn)一步簡化的電路設(shè)計。LDO驅(qū)動LED組最大的優(yōu)勢在于電路非常簡單，而且基本沒有EMI的問題，比較適合和LED燈組做在一起，直接放置在LCD屏內(nèi)。其主要的問題是效率比較低，因為輸入電壓和LED組所需要的實際驅(qū)動電壓之間的電壓差都加在MAX16803這個LDO上，當(dāng)這個壓差比較大時，不僅整體效率低，而且MAX16803發(fā)熱比較大。而且由于LED組內(nèi)部并聯(lián)的各LED串之間并不存在均流機(jī)制，只能依靠選擇前向?qū)妷罕容^一致的LED來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LED組的驅(qū)動效率，用開關(guān)電源代替LDO是最直接的方法，如圖3所示。相對于LDO的驅(qū)動，用開關(guān)電源最大的好處是提高了整體的驅(qū)動效率。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(jié)，提高系統(tǒng)的整體效率。并且，此方案也直接支持PWM調(diào)光。跟LDO驅(qū)動LED組一樣，即使用開關(guān)電源驅(qū)動LED組也無法從根本上解決各LED串之間電流分配不均的影響。

圖3 中型尺寸的LCD背光—開關(guān)電源驅(qū)動LED組

LED組的總電流控制不能實現(xiàn)各個LED串之間的電流平均分配，即使選擇電氣參數(shù)較為一致的LED(這意味著LED成本會有大幅上升)，在相同的驅(qū)動電壓下，LED組中總導(dǎo)通電壓高的LED串，可能導(dǎo)通不充分；總導(dǎo)通電壓低的可能過導(dǎo)通，流過超出其額定值的電流，結(jié)果就是發(fā)光不太均勻而且有的LED可能會提前損壞。為消除這種隱患，可結(jié)合開關(guān)電源與LDO各自的特點，LED組的總供電由開關(guān)電源來實現(xiàn)，提高系統(tǒng)整體效率；每一串（即每一條支路）中串聯(lián)的LDO來檢測通過此支路LED中的電流，LED組共用的總輸出電壓與各LED串實際前向?qū)妷褐g的電壓差由串聯(lián)的LDO承擔(dān)，從而實現(xiàn)各串之間的電流相同。如圖4所示，在每一個LED支路的回路中，MAX16807均內(nèi)置了一個LDO，根據(jù)通過的LED電流，可自動調(diào)節(jié)輸入端口的電壓值，即每一串LED支路上的實際負(fù)載電壓，使之每條支路的LED電流均與設(shè)定的值一致。系統(tǒng)還可以通過I2C控制每一支路上LED的開關(guān)及PWM調(diào)光的占空比。

圖4 中等尺寸的LCD背光—開關(guān)電源+LDO驅(qū)動8串LED

大型尺寸LCD的LED背光驅(qū)動

21英寸及其以上的LCD屏主要應(yīng)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(qū)動而言，則必須保證給每條支路都能夠提供足夠的驅(qū)動電流，并使各LED支路之間的電流能夠匹配。

MAX16809/MAX16810跟MAX16807有類似的架構(gòu)，但可直接驅(qū)動16路LED支路，每路的電流可以達(dá)到55mA，每路的電壓也可達(dá)到36V，可直接驅(qū)動224個紅色LED或者160 個白光，藍(lán)光或者綠光LED。如圖5所示，對于大屏幕液晶電視的上千個背光LED的驅(qū)動任務(wù)來說，是一個性價比較高的方案。

圖5 大型尺寸的LCD背光—MAX16809驅(qū)動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LED的發(fā)光量，這樣可以減少LED的數(shù)目，提高系統(tǒng)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(qū)動紅，綠，藍(lán)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，并通過各自的PWM引腳進(jìn)行數(shù)字調(diào)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—開關(guān)電源+LDO驅(qū)動350mA的R G B 的LED串

結(jié)語

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(qū)動在各方面的利好因素帶動下，正穩(wěn)步推進(jìn)。隨著高亮度LED的價格瓶頸漸漸打破，LED的光效不斷提升，LED的背光應(yīng)用將越來越普遍。而LED的驅(qū)動方案，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LED的改變，也將不斷涌現(xiàn)出新的驅(qū)動方案。

參考文獻(xiàn)：

1.MAX16803數(shù)據(jù)手冊, Maxim公司
2.MAX16809/MAX16810數(shù)據(jù)手冊, Maxim公司