浅谈电视机中的led驱动

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浅谈电视机中的led驱动

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没人喜欢经济衰退,但是好莱坞可能是个例外。为什么呢?答案即使不那么明显,也很简单,经济下滑时票房收入会上升,因为消费者寻求更加“经济”的娱乐方式。带着全家出去看电影比去餐馆吃晚餐然后在剧院看百老汇演出便宜得多。也许,出人意料的是另一种共生互惠的娱乐形式,在目前的经济下滑期,这种娱乐形式正在对用LED做背光照明的平板液晶显示器电视机的销售产生积极影响。很多消费者不是去电影院,而是乐于租用或下载最近推出的电影DVD,在起居室中舒舒服服地看。不过,这次不同的是,他们希望看得气派一点,用最新的LED高清(HD)电视机。iSuppli公司最近做的一份调查显示,在 2009年第一季度,美国和加拿大平板电视机的交付量增长到了780万台,比2008年同期的660万台增加了17.3%。此外,调查结果还指出,甚至在当前的经济下滑时期,消费者也将继续购买平板电视机。惟一的提醒是,随着可支配收入下降,美国消费者正受到尺寸更小的电视机所吸引。结果,32英寸及更小的电视机遇到了供货限制。

白光LED用于背光照明

要了解白光LED背光照明的平板LCD电视机热销背后的驱动力,很重要是要了解一些有关以下事实的理念:与其他形式的照明相比,如冷阴极荧光灯(CCFL),为什么应该使用白光LED。
大型平板LCD电视机传统上一直使用CCFL背光照明。不过,这些CCFL背光照明电视机有快速运动图像模糊、色彩再现不准确等各种缺点。就目前一代LCD电视机而言,不可能得到真正的黑色,所有颜色的动态范围都有改进的余地。例如,大多数 LCD 电视机都只能提供450到 650cd/m2的对比度。这些高清电视机的主要问题是,不能彻底关断CCFL背光照明或不能对CCFL背光照明局部调光。
相反,用高亮度(HB)LED背光照明,一个LED阵列可以分成很多单独的照明组。每组通常都由8~10个30~50mA的LED组成,这些LED可以通过单个引脚独立调光,从而实现局部调光。这样的设计能提供几乎比CCFL设计高一个数量级的对比度(>4 000cd/m2)。此外,通过以宽调光比调节背光照明LED组的亮度,可以再现更多中间色调的颜色,从而提供更加生动的画面。

另外,能够局部彻底关断LED可减轻运动图形模糊。通过在帧之间彻底关断LED,几乎消除了与快速移动物体有关的图像模糊。在解决这种快速运动图像模糊问题时,LED非常快的响应速度是至关重要的,CCFL背光照明的LCD电视机常常遇到这种问题。
          去除CCFL的另一个驱动力是,人们希望消除在这种类型照明中的有毒水银蒸气,同时提高效率和性能。此外,很多国家的政府都帮助推动这种趋势,这些国家强制实施新的“绿色“措施,以消除有毒材料,其中就包括CCFL中存在的水银。显然,这帮助推动LED背光照明在新的LCD高清电视机设计中占据重要地位。
据估计,从传统的荧光灯过渡到LED照明,时下全世界的总体能源需求可能减少多达10%,这从另一个侧面说明了LED是更加环保的。显然,随着人们努力加速降低能源产生时总的二氧化碳排放量,这10%全球照明能源需求的降低是这种过渡的主要促进因素。那么,什么因素支持着如此巨大的LED背光照明增长潜力?首先,目前一代LED的效率是荧光灯的两倍多,从而极大地降低了提供所需光输出(以流明为单位量度)所必需的电力。随着LED的进一步发展,它们的发光效率将继续提高,预计在未来几年内可翻一番。其次,LED有超过10万小时的寿命,相比之下,荧光灯的寿命最长仅为1万小时,寿命相差多达10倍。

怎样驱动LED

驱动LED需要仔细的设计考虑,因为过驱动可能产生热耗散问题,这个问题可能极大地降低光输出,并缩短LED 的有效寿命。这已经导致很多模拟IC制造商设计专门的LED驱动器IC,以正确驱动LED。为了了解设计和制造这些LED驱动器IC面临的难题,有必要了解白光LED发光而需要什么。白光LED必需由恒定电流源驱动,这样白色光点才不会移动,也就是说,亮度必须是一致的。另外,既然白光LED是一个二极管,那么它的内部正向电压(Vf)降必须克服。这个Vf随白光LED电流额定值的不同而有所不同,也会随着温度的变化而改变。一个典型的20mA白光LED的Vf在整个工作温度范围内于2.5V和3.9V之间变化。大多数应用采用1个以上的白光LED,还可能以并联、串联或串并组合(例如,串联LED的并联串)的方式配置这些LED。这意味着,白光LED驱动器IC必须能够为特定配置的LED提供充足的电流和电压,而采用的转换拓扑同时满足输入电压范围以及所需的输出电压和电流的需求。

LED的调光考虑

传统上,LED的调光一直用一个直流信号或用一个滤波PWM信号通过调节流经LED的正向电流来进行。降低LED电流调节LED光输出强度,不过,正向电流的变化会改变LED的颜色,因为LED的色度随着电流的变化而改变。包括LCD高清电视机背光照明在内的很多应用都不可能容许LED颜色的任何偏移。在这些应用中,需要宽调光范围,因为环境光线变化不同,而且人眼对光强的微小变化很敏感。通过使用 PWM 信号来控制LED光强允许LED调光而不改变颜色。
         “True Color PWMTM 调光”通过一个PWM信号对LED调光。它本质上是在PWM频率下以满电流接通和断开LED。人眼有每秒50~60帧的限制。通过提高PWM频率(例如,80~100Hz)可以使眼睛觉得脉冲光源是连续接通的。此外,通过调制占空比(“接通时间”的长短),可以控制LED的光强。采用这种调光方法时,LED的颜色保持不变,因为LED电流值或者为零或是一个恒定值。很多LCD高清电视机的设计师都要求3000:1以上的调光比,以适应多种环境照明条件。

一种面向LCD高清电视机的创新性LED驱动器

凌力尔特公司推出的一款新产品解决了白光LED用于大型平板电视机背光照明时与驱动白光LED有关的设计问题。LT3754是一个创新性LED驱动器IC,该IC可用于采用26英寸或更大平板的高清电视机。这个升压模式LED驱动器有16个单独的通道,每个通道都能驱动一串多达15个50mA、Vf约为3.2V的LED。因此,每个LT3754可以驱动多达240个50mA的白光LED。结果,一个26英寸的LCD高清电视机仅需要一个LT3754,就能提供必需的背光照明。所有16个通道都通过单一PWM输入控制,该输入能实现高达3000:1的PWM调光比。

LT3754使用一个小的电感器或更纤巧的陶瓷输出电容器。唯一需要的其他组件是一个输入电容器、MOSFET和一个电流设置电阻器,如图1所示。每个通道都跟随一个可编程的主电流,以允许每串10~50mA的LED电流。这些通道还可以并联,以提供更大的LED电流。输出电压适应LED Vf的变化,以提供最佳效率,开路LED故障不影响所连接的LED串的工作。LT3754采用紧凑型32引脚、5mm×5mm QFN封装。

图1 38W LED驱动器
LT3754在400kHz开关频率时具有92%的峰值效率,从而无需任何外部散热器。此外,由于高达1MHz的开关频率,PCB上所需电感器和电容器的尺寸极大地减小了,因此允许采用非常薄的电视机外壳。这是一个关键因素,因为大多数消费者希望将高清电视机安装到起居室的墙上,出于美观考虑,需要重量轻和纤薄的外形设计。
LT3754的PWM调光能力高达3000:1。图2显示了这种3000:1 PWM调光的波形和一个LED电流方波波形。甚至在仅3.3μs的接通时间内,20mA的LED电流也与100Hz PWM信号同步接通和断开。更高的PWM调光比可用更低的PWM频率实现,不过100Hz保证没有可见闪烁。

图2 就图1电路而言的3000:1 PWM调光波形


所有16个通道的完整LED亮度都是通过单个外部电阻器设定的。每个通道都有编程为同样大小的LED电流,设定在10~50mA之间。通道之间的LED电流准确度在±2%之内。真正彩色PWM调光用降低的占空比来提供准确的调光,而发出光的颜色没有任何偏移。固定频率、电流模式控制电路在宽输入和输出电压以及电流范围内可稳定工作。32引脚QFN封装的外部电源开关和裸露的热焊盘提供足够的电源和热量管理,以处理16个通道在50mA时消耗的功率和产生的热量。

结论

显然,LED已经成为高清电视机中采用大型平板LCD显示器背光照明的主流选择。不过,系统设计师仍然需要有满足其具体设计性能要求的LED驱动器IC,否则,他们最终可能陷入极度的困境之中。因此,LED驱动器IC必须能够以同时满足输入电压范围以及所需输出电压和电流需求的转换拓扑、为很多不同类型的LED配置提供充足的电流和电压。因此,LED驱动器IC需要有以下特点,以满足设计师的需求。

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