深度剖析LED背光系统和电源解决方案

自 2010 年代以来，液晶显示器 （LCD） 背光中的冷阴极荧光灯 （CCFL） 逐渐被发光二极管 （LED） 取代。这是因为不含汞的 LED 在散热效率、显色性和降低成本方面表现出色。

内容

各家液晶电视厂商纷纷争相采用LED背光技术实现液晶屏的低调化，希望在新一代家用电视到来之际，扩大市场占有率。LED背光机型的市场渗透率一直在飙升，今天台湾市场上大部分液晶电视都是LED背光的。

LED背光技术可分为两类：直下式和侧光式。用于直下式背光的 LED 可以是白色或 RGB。本应用笔记将研究这两种类型之间的差异以及系统角度的 LED 电源解决方案。例如，用于笔记本电脑的 4 通道 LED 驱动器RT8510的功能框图如图 2 所示。上块为升压转换器，提供 LED 串所需的电压，下块为恒流调光控制器。

图 1. LED 液晶电视的功耗低于 CCFL 液晶电视

图 2. LED 驱动器RT8510的功能框图

1. 侧光式与直下式背光

背光模组作为液晶显示器的光源，由光源、导光板和背光扩散板等组成。随着液晶电视和笔记本电脑的普及，开发重点是在系统中集成节能LED背光模组。应对面板大型化、低调化的趋势。

对于侧光式 LED 背光技术，白光 LED 被放置在 LCD 的四个侧面，光线从 LCD 面板和反射片之间发出，光线通过反射片反射到 LCD 面板的背面。导光板将光线均匀地分布在 LCD 的背面。这是目前最常用的LED背光技术，具有成本低、体积小等优点。

图 3. 侧光式背光模块

对于直下式背光技术，LED 以平面阵列的形式放置在导光板和 LCD 屏幕后面，光线直接发射到液晶显示屏上。这种方法允许对屏幕上特定亮度区域的 LED 进行快速局部调光，从而大大增强动态对比度。但缺点是需要使用更多的LED，会增加产品成本，也会增加背光模组的厚度。白光 LED 最常用于 LED 背光，而对于一些高端型号，RGB LED 用于更广色域的色彩再现。

表 1. 侧光式和直下式背光技术比较

2. LED驱动IC的重要特性

一般用户在选择LED驱动IC时会考虑以下特点：

1.LED电流精度：LED电流由从ISET引脚连接到地的外部电阻RISET的值设置。该电流由电流镜镜像到电流源。理论计算得出的电流值与实际电流的误差百分比称为 LED 电流精度。

2.LED电流匹配：有很多方法可以配置阵列中的LED。如果 LED 串并联，则通过每个 LED 串的 LED 电流必须相互匹配。这将增加各种 LED 串之间的亮度均匀性。LED 电流通常与 LED 亮度成正比。

3.调光类型：调光已成为LED驱动器的基本特征。它可以分为模拟调光和PWM调光。由于色度坐标没有偏移，PWM Dimming 可以实现更好的色彩再现。但是，它更容易受到可听噪声问题的影响。解决这个问题的方法将在以后的会议上提出。

4.LED电流线性度：对于PWM调光，输出LED电流随PWM占空比而变化。这两者之间的关系被描述为线性。低 PWM 占空比和高 PWM 调光频率会降低 LED 电流线性度。图 4 显示了RT8510 PWM 调光线性度。

图 4. RT8510 PWM 调光线性度

3. 电源解决方案

当今电视型号常用的电源架构是 LLC 或反激系统为升压或降压转换器提供直流电源，然后驱动 LED 阵列，LED 电流调节器将电流钳制在所需的 LED 亮度。然而，近年来，LED阵列可以直接由LLC或Flyback系统驱动，而前一级的电压可以通过控制器IC进行调节。

图 5 是一种电源解决方案的应用示意图。RT8525 _，在左侧，作为 DC-DC 升压转换器，提供足够的电压来驱动 LED 阵列。RT8300 作为电流调节器，提供恒流和调光功能。DHC（动态余量控制）连接这两个 IC 作为反馈控制。当背光模组开启时，LED的正向电压Vf会因温度升高而降低。如果输出电压保持不变，则 LED 1~4 引脚上的端电压会增加。这将导致 RT8300 的功耗和温度升高。因此，这将导致整体效率的下降和 IC 表面温度要求的失败。因此，必须有一种机制使升压转换器降低其输出电压。

图 5. 电源解决方案的应用示意图

为此目的创建了动态余量控制 （DHC） 功能。RT8300 将找出所有 LED 通道中 LED 1~4 引脚上哪个通道的端电压最低，并通过图 6 中的曲线钳制所需的工作电压。该电压与 LED 电流呈线性关系。

图 6. RT8300 的线性特性

如果该最低电压通道的引脚电压高于图 6 中的相应值，则 RT8300 V FB引脚将被设置为高电平。通过 R3 至 V REF，输出电压 （VLED） 将降低。反之亦然，如果引脚电压过低，V FB引脚将被设置为低电平，输出电压将被拉高。图 7 显示了原理图和相应的方程，它们基于叠加定理。

图 7. RT8300 DHC 原理图

对于不同的应用，其背光模组的瓦数会有所不同。通常，LCD 面板越大，提供所需亮度的 LED 阵列就越多。IC和功率器件的功耗将因此增加，这会降低热性能。与笔记本电脑背光的电源解决方案相比，台式机显示器需要更大的功率。因此，最好将 MOSFET 连接到外部。对于更高瓦数的应用，例如液晶电视，甚至电流源设备的驱动器也将连接到外部，以降低 IC 的表面温度。以下列出了适用于各种应用的立锜 LED 背光电源解决方案。

图 8. 适用于各种应用的电源解决方案

4. 可听噪声问题的解决方案

所有电子产品都有关于可听噪声的规范。随着便携式电子产品的普及，其背光模组的噪声规格也更加严格。当应用程序在 PWM 调光模式下运行时，通常会出现可听噪声。噪声主要来自谐振，由输出电容、MLCC 和输出电流开关引起。在 PWM 调光中，PWM LED 电流在重负载和零负载之间切换。负载的突变会增加输出电压的纹波。这种对人耳的涟漪是可听见的噪音。图 9 为RT8510调光时的波形图。

CH1 = PWM， CH2 = Vout，ac， CH3 = VLX， CH4 = ILED

图 9. RT8510调光时的波形图

有很多方法可以解决听得见的噪音问题。以下是一些供用户参考的示例：

1.增加输出电容值以减少输出纹波：这种方法简单明了，但缺点是成本增加。

2.改变PWM调光频率，避开可听频率范围，约20 kHz。但是，缺点是调光线性度会受到影响。

3.混合模式：在较低的 PWM 占空比下，只需切换到模拟调光以减少可听噪声。

4.移相功能：在多通道驱动IC中，依次开启各通道，提高负载瞬态性能。

5.使用较大的OVP电阻：当PWM关闭时，较大的OVP电阻会降低负载和输出压差，从而降低噪声。

6.用降噪解决方案中的MLCC替换：输出电容会影响纹波的大小。较大的波纹可能会导致层与层之间产生共振，从而产生噪音。降噪电容器在交叉电压方面具有卓越的性能，即在较高的直流偏置下电容变化较小。图 10 显示了新（降噪）和传统制造工艺之间等效 MLCC 电容的比较。

图 10. 新型和传统制造工艺之间 MLCC 等效电容的比较。

五、保护机制

通常，LED 驱动器具有以下内置保护机制：

1.SLP（Short LED Protection）：如果LED串中的任何LED在表面安装时短路，则LED串的整体正向电压Vf会较低，这将导致VLEDX端电压较高。SLP就是检测VLEDX电压是否过高。对于某些型号，只有短通道会关闭，而对于其他型号，则要关闭驱动电路。用户可以通过 R SLP调整 SLP 电压。

2.OLP（开路LED保护）：如果LED串中的任何一个LED接触不良，无论是在组装还是在使用中，OLP都是在上电时检测VLEDX电压是否过低，并发出相应地发出警告信号。

3.OVP（过压保护）：当输出电压出现过压时，OVP会通过分压器进行检测。它将输出电压钳位在 OVP 设置的电压上，而不关闭电路。图 12 显示了 RT8300 的保护机制流程。

图 11. RT8300 SLP 图

图 12. RT8300 保护机制流程

6. 3D/局部调光

近年来，3D 和局部调光的功能已融入高端电视机型。介绍如下：

1. 3D调光：

在 3D 模式下，由于 PWM 占空比降低，需要背光模组提供更高的亮度。人的左右眼所感知的图像将交替显示，以产生景深效果。图 13 说明了 3D 调光功能图。LED 驱动器 RT-CVT 要求 3D 眼镜快门与主板同步，以有效交替遮挡左右眼。

图 13. 3D 调光功能图

2. 局部调光：

这种方法用于高级模型以增强对比度。局部调光的黑色被认为更暗，因为该部分的背光变暗了。相反，较亮部分后面的背光可以更亮。此后，局部调光具有消耗更少功率的优势。图 14 显示了 64 区域局部调光的示例。屏幕划分的区域越多，局部调光的好处就越明显。然而，权衡是控制的复杂性和成本会相应增加。

图 14. 64 区局部调光示意图

对于局部调光应用，常用 I2C 接口的有限带宽已无法接受。例如，RT8302 是一款 4-CH Programmable Current Sink Led Driver，它使用 SPI Bus （Serial Peripheral Interface Bus） 作为信号传输接口。图 15 为 RT8302 SPI 接口应用示意图。

图 15. RT8302 SPI 接口应用示意图

图 16 是 RT8302 读/写指令图如下。

读取指令：

写命令：

图 16. RT8302 SPI 读/写指令图

7. 结论

LED 背光驱动系统的架构根据能源效率、成本降低和性能增强等各种要求而有所不同。然后应相应地更改驱动器 IC。此外，要为 LED 灯串供电，电源解决方案应随应用（电视/显示器/笔记本电脑/平板电脑）而变化。最后，解决可闻噪声、提高系统效率以及满足所有组件的表面温度要求也是客户需要考虑的重要方面。