強(qiáng)化LED背光應(yīng)用效能 時(shí)間延遲滯后式電流控制技術(shù)問世
平面顯示器在許多情況下須要支持多重運(yùn)作模式、數(shù)據(jù)顯示、高分辨率圖像、全動(dòng)態(tài)視頻或高畫質(zhì)影像等,最近由Lumileds所提出的分析報(bào)告指出,不同的模式需要不同的背光特性來提供最佳的影像畫質(zhì),例如當(dāng)執(zhí)行個(gè)人計(jì)算機(jī)Windows應(yīng)用程序時(shí),背光的最佳色溫大約在9,600K,而播放電影時(shí)則最好采用大約在6,500K范圍的色溫?zé)艄?,相對于傳統(tǒng)的冷陰極燈管(CCFL),采用LED數(shù)組可以更容易地進(jìn)行背光特性的控制以及最佳化,除此之外,LED也帶來更低的耗電、發(fā)熱以及更長的壽命,同時(shí)由于不須使用變頻器,更可簡化電路設(shè)計(jì)并降低噪聲。
LCD面板所采用的LED背光透過使用紅、綠與藍(lán)光LED高效率地耦合到導(dǎo)光板上來產(chǎn)生白色背光,調(diào)整各個(gè)不同顏色的輸出可以讓設(shè)計(jì)工程師精確控制背光的特性,帶來更豐富的色彩輸出并取得色溫、波長與發(fā)光的更佳控制,更可以利用這個(gè)彈性提供更生動(dòng)的顯示輸出來強(qiáng)化使用體驗(yàn)。
高亮度LED背光的電源要求
由于每顆LED所發(fā)出的亮度以及色彩直接與流經(jīng)LED本身的電流相關(guān),因此要發(fā)揮LED背光的完整優(yōu)勢,就須要進(jìn)行電流的精密控制,然而,這對傳統(tǒng)使用限流電阻的方式來說,不容易達(dá)成,特別是背光應(yīng)用中所使用的高亮度LED在正向壓降上有很大的差異,例如Lumileds公司Luxeon III的數(shù)據(jù)規(guī)格書上顯示,額定為3.70伏特(V)的正向電壓可能會(huì)在3.03~4.47伏特間變化,此外溫度也會(huì)造成影響,例如相同產(chǎn)品的正向電壓溫度系數(shù)為-2mV/℃。
當(dāng)考慮采用Luxeon DCC數(shù)組做為LCD背光應(yīng)用的情況下,每個(gè)數(shù)組由1或多串以各自顏色串接的Luxeon LED所組成,其中一個(gè)型號為LXHL MGEA的產(chǎn)品就是由兩串以5顆紅光LED、兩串以及11顆綠光LED及兩串以4顆藍(lán)光LED的組合所組成。電源的要求以能夠提供紅、綠與藍(lán)光LED串各個(gè)獨(dú)立通道定電流,并且能夠調(diào)整到最佳光度輸出特性,同時(shí)滿足各LED串最大正向電壓規(guī)格要求為目標(biāo),以LXHL MGEA數(shù)組中的綠色LED串為例,這代表總線電壓(VBus)要求最小要有40.5伏特加上安全的富裕空間。
如果這類LED串的電流只透過一顆電阻來控制,那么在生產(chǎn)時(shí)正向電壓的差異以及因溫度所引起的變化將對運(yùn)作效率帶來影響,甚至造成LED背光的誤動(dòng)作。以由額定正向電壓在3.7伏特的6顆高亮度LED串為例,在24VDC總線電源下透過2.57Ω電阻穩(wěn)壓,將消耗750毫安的電流,整體運(yùn)作效率為92.5%,不過如果LED是在正向電壓最低的情況下發(fā)光,那么電流將提升到2.4安培,效率則下滑到76%,反之在最高正向電壓下,高亮度LED串的整體壓降將高于總線電壓,因此造成高亮度LED無法發(fā)光。
定電流控制降低輸出電流變化
一個(gè)較高效率且精確的解決方案是采用高電壓直流轉(zhuǎn)直流(DC/DC)降壓型轉(zhuǎn)換器,包含一個(gè)連接總線電源(Vbus)與高亮度LED的高電壓端開關(guān)或金屬氧化半導(dǎo)體場效晶體管及高亮度LED與接地間的感測電阻,這須在高電壓端加入浮動(dòng)開關(guān)的組態(tài),以便直接持續(xù)監(jiān)控負(fù)載電流并加以調(diào)整。
在正常運(yùn)作情況下,輸出電流透過IFB接腳上的回授電壓來加以調(diào)整,通常為0.5伏特,當(dāng)VIFB低于參考電壓(VIFBTH)時(shí),高電壓端MOSFET導(dǎo)通,高亮度LED由直流總線供電,同時(shí)在IFB接腳電壓上升過程將能量儲(chǔ)存在LC諧振電路中,當(dāng)IFB接腳上的電壓達(dá)到臨界值VIFBTH時(shí),高電壓端的MOSFET便會(huì)在內(nèi)建電路的固定時(shí)間延遲后斷開。
這時(shí)電路會(huì)開始釋放出事先儲(chǔ)存的能量來提供高亮度LED電源,而當(dāng)IFB接腳上電壓下滑到固定臨界點(diǎn)時(shí),MOSFET會(huì)再次導(dǎo)通,但內(nèi)建的固定電路時(shí)間延遲會(huì)讓VIFB在MOSFET實(shí)際導(dǎo)通并且讓系統(tǒng)進(jìn)行重復(fù)周期動(dòng)作前低于臨界值。
藉由此固定時(shí)間延遲的幫助,電路的持續(xù)切換動(dòng)作可以讓流經(jīng)高亮度LED的電流維持在一個(gè)可以用VIFBTH(通常為0.5伏特)和RCS感測電阻間比率計(jì)算得出的IOUT(AVG)平均電流輸出值,只要由LC所組成的輸出諧振電路可以維持IFB接腳上的低漣波(通常低于0.1伏特)即可。圖3a與圖3b描述了使用固定時(shí)間延遲滯后式電流控制可以達(dá)到的超低輸出電流變化,顯示出在總線電壓位于40~170伏特輸入電壓時(shí),1,400毫安運(yùn)作下變動(dòng)在±0.3%以內(nèi),而在15~30伏特電壓下,1,400毫安輸出時(shí)的變動(dòng)更小于±0.1%。
此電路同時(shí)也限制了尖峰電流,因此可以搭配使用小型MOSFET以及小型電感,提供精準(zhǔn)且多樣性的高效率控制解決方案,讓設(shè)計(jì)工程師可利用新一代高亮度LED背光技術(shù)強(qiáng)化LCD顯示質(zhì)量。
值得注意的是,此方法同時(shí)也免除固定頻率振蕩器的需求,因?yàn)樾酒瑫?huì)持續(xù)將負(fù)載電流與臨界值比較,并依結(jié)果進(jìn)行MOSFET的切換控制,頻率可以自由選擇并依LC以及輸出入電壓而定,因此此電路不僅能對生產(chǎn)時(shí)的差異與溫度飄移進(jìn)行補(bǔ)償,同時(shí)還可應(yīng)用在寬廣的輸出入電壓范圍,以及不同的高亮度LED串或數(shù)組組態(tài)上。
背光之外的高亮度LED
控制亦相當(dāng)適合
在單一芯片上實(shí)現(xiàn)連續(xù)模式時(shí)間延遲滯后式降壓型穩(wěn)壓器,為高功率LED定電流控制帶來單芯片的解決方案,以國際整流器公司的IRS2540與IRS2541為例,分別可由200伏特與600伏特的額定電源電壓運(yùn)作,不管是由直流總線或直接交流電供電的情況下,每個(gè)組件都能提供高功率LED串的精密電流控制,相較于傳統(tǒng)轉(zhuǎn)換器,可節(jié)省體積與成本。
該兩款組件中所采用的時(shí)間延遲滯后式電流控制,相當(dāng)適合用來控制新一代高亮度LED在各種應(yīng)用中的發(fā)光強(qiáng)度、運(yùn)作模式以及色彩等特性,而不局限在LCD面板的背光,目前市場上高亮度LED可以達(dá)到大約5瓦以及1.5安培的規(guī)格輸出,這將有助設(shè)計(jì)工程師將LED應(yīng)用在廣告招牌、建筑照明、裝飾照明、娛樂應(yīng)用、車用照明以及其它領(lǐng)域。
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