白光LED背光源調(diào)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(yùn)作，且可在更大的亮度范圍進(jìn)行調(diào)光，以及調(diào)光時(shí)會呈現(xiàn)出相當(dāng)線性的亮度變化。
目前眾多內(nèi)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(diào)光方法。本文會先簡略說明LED的供電方式，接著分述兩種LED調(diào)光方法和其優(yōu)缺點(diǎn)。透過這些信息，便能選擇適當(dāng)?shù)恼{(diào)光方法與LED驅(qū)動IC進(jìn)行應(yīng)用。
配置電壓調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)換器達(dá)成WLED供電
WLED亮度會隨著通過的電流而呈現(xiàn)直線變化，為使得各串行達(dá)到最佳的WLED電流準(zhǔn)確度及一致性亮度，LED驅(qū)動器應(yīng)調(diào)節(jié)通過LED的電流電壓，而非調(diào)節(jié)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(shè)定任何可調(diào)整輸出的電流調(diào)節(jié)直流對直流(DC-DC)轉(zhuǎn)換器成為穩(wěn)定電源，以驅(qū)動串聯(lián)的多顆WLED。
圖1 可調(diào)整輸出DC-DC轉(zhuǎn)換器提供通過WLED串行的穩(wěn)定電流
調(diào)節(jié)電流偵測電阻(RSENSE)兩端的電壓(VSENSE)而非輸出電壓(VO)之后，驅(qū)動器便成穩(wěn)定電源，使得VO可隨著由電壓和溫度所產(chǎn)生的ΣVLED變化自行調(diào)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(qū)動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(jié)型場效應(yīng)晶體管(FET)(圖2)。
圖2 含有整合式電流汲入的LED驅(qū)動器
驅(qū)動器有兩種功能，不僅能夠調(diào)整汲入FET的驅(qū)動電壓以達(dá)到通過汲入FET的適當(dāng)電流(相對于偏壓電流)，且能夠調(diào)整整合式DC-DC轉(zhuǎn)換器(一般為升壓轉(zhuǎn)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。這類含有整合式升壓轉(zhuǎn)換器及八個(gè)整合式電流汲入的驅(qū)動器，其中一例為TPS61195。
消弭噪音為PWM調(diào)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(qū)動器效率，較新型LED背光電子裝置能達(dá)到較大的調(diào)光范圍。有兩種方法可用于LED調(diào)光：脈沖寬度調(diào)變(PWM)調(diào)光及模擬調(diào)光(圖3)。
圖3 采用模擬調(diào)光及PWM調(diào)光時(shí)的燈光或LED電流
為了進(jìn)行PWM調(diào)光，數(shù)字信號處理器(DSP)或微控制器(MCU)會傳送不同負(fù)載周期(D)的PWM訊號，以針對圖1所示的驅(qū)動器啟用及停用WLED驅(qū)動器的轉(zhuǎn)換器，或針對圖2所示的驅(qū)動器啟用及停用電流汲入。因此，通過WLED串行的平均電流等于負(fù)載周期乘以最大電流，亦即ILEDavg = D×ILEDmax。
由于通過LED的最大電流都相同，因此PWM調(diào)光結(jié)果會呈現(xiàn)出相當(dāng)線性的亮度變化。另外，由于LED發(fā)光的光譜會因電壓降幅而產(chǎn)生變化，而電壓降幅會因維持最大值的ILED而產(chǎn)生變化，因此LED背光的色度(亦即色彩、色相或?qū)嶋H達(dá)到白光的程度)在采用PWM調(diào)光時(shí)可達(dá)到絕佳效果。
PWM調(diào)光的關(guān)鍵缺點(diǎn)是噪音。若PWM訊號被用于啟用與停用轉(zhuǎn)換器，驅(qū)動器的調(diào)光比例上限會受到啟動轉(zhuǎn)換器、輸出電容充電及達(dá)到個(gè)別最大電流需要的時(shí)間所限制。即使WLED驅(qū)動器能夠使轉(zhuǎn)換器在1MHz以上的切換頻率運(yùn)作，轉(zhuǎn)換器的控制回路響應(yīng)時(shí)間及/或啟動時(shí)間亦需要數(shù)百微秒至數(shù)毫秒的時(shí)間。因此，為了讓驅(qū)動器有時(shí)間達(dá)到最大電流，PWM調(diào)光頻率僅能系數(shù)百Hz。
陶瓷輸出電容的壓電性會造成電容以PWM訊號頻率在可聽見噪音的范圍(20k～20kHz)內(nèi)進(jìn)行充電及放電，此時(shí)電容便會振動，且電容和印刷電路板會因?yàn)檎駝佣a(chǎn)生雜音。振動的程度、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(qū)動器藉由將電流汲入開啟與關(guān)閉以進(jìn)行PWM調(diào)光。另一方面，TPS61093之類的驅(qū)動器將FET與LED串行，F(xiàn)ET可迅速開關(guān)，因此驅(qū)動器的輸出毋需LED。在這兩種情況下，第二個(gè)電壓回饋回路可提供過壓防護(hù)，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(dá)到最小程度，因此能夠減少振動及發(fā)出的聲響。
模擬調(diào)光亮度線性/色度待提升
模擬調(diào)光一詞系指通過LED的DC電流本身隨著負(fù)載周期產(chǎn)生變化。若要針對圖1所示的驅(qū)動器進(jìn)行模擬調(diào)光，DSP或MCU必須提供高于轉(zhuǎn)換器調(diào)節(jié)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(qū)動器將輸入PWM訊號濾波，然后以經(jīng)過位準(zhǔn)偏移的訊號來驅(qū)動電流汲入，如TPS6116x系列之類的其他驅(qū)動器則使用輸入PWM訊號，將負(fù)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有漣波。所以電容不會出現(xiàn)像采用PWM調(diào)光時(shí)所產(chǎn)生的振動。
相較于PWM調(diào)光，模擬調(diào)光的另一項(xiàng)優(yōu)點(diǎn)是電源效率及光電轉(zhuǎn)換效率較高。尤其升壓轉(zhuǎn)換器的輸出電壓(ΣVLEDs)會因ILED降低而隨之降低。因此使用模擬調(diào)光而非PWM調(diào)光時(shí)，轉(zhuǎn)換器的輸出功率會略微降低。
由于升壓轉(zhuǎn)換器須要提供較低的輸出電壓，因此輸入電源需求會降低并使效率提高(圖4)。在混合模式調(diào)光中，驅(qū)動器執(zhí)行D最低達(dá)到6.25%的模擬調(diào)光，接著轉(zhuǎn)換為PWM調(diào)光，以提高亮度線性。
圖4 混合模式調(diào)光及PWM調(diào)光的效率比較
此外，驅(qū)動器可達(dá)到較高的光電轉(zhuǎn)換效率，這表示耗用相同的電力可達(dá)到更高的流明。然而，模擬調(diào)光也有深度調(diào)光的某些電流準(zhǔn)確度問題，此因回饋調(diào)節(jié)電壓或電流汲入電壓過小，而無法準(zhǔn)確控制，此乃受限于錯誤放大器的偏移電壓所致。亮度線性及色度也不比PWM調(diào)光，尤其是在深度調(diào)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性的差異。
圖5 采用PWM調(diào)光及模擬調(diào)光時(shí)的LED亮度線性
若應(yīng)用的照明需要最佳的線性及色度，則可達(dá)到真正PWM調(diào)光的驅(qū)動器會是最適當(dāng)?shù)倪x擇。若應(yīng)用對于噪聲相當(dāng)敏感或需要最高的效率，則須采用模擬調(diào)光的驅(qū)動器。若采用PWM調(diào)光驅(qū)動器，并運(yùn)用第二個(gè)回饋回路來降低輸出電壓漣波，則無法避免發(fā)出雜音。現(xiàn)已有驅(qū)動器能在調(diào)光方法之間切換，以發(fā)揮各種調(diào)光方法的最佳特性。只要能進(jìn)一步掌握LED調(diào)光選項(xiàng)及其優(yōu)缺點(diǎn)，選擇LED驅(qū)動器便輕而易舉。
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