动态控制的ＬＥＤ背光源设计:led背光源

　　文章编号：1006-6268（2008）07-0051-04 　　 　　摘要：以往因CCFL亮度的不可控性,液晶电视是采用调节LCD的控制电压,改变液晶的透过率,来实现对LCD总体亮度的控制，这种方式在很多情况下造成背光模组的光能和电能浪费。而采用亮度动态控制的方式可以很方便地通过调节LED背光源电源的电压或输入电流的大小，从而改变LED的发光强度的方案,可使电视在LED较低能耗条件下工作。亮度动态控制就是通过对显示的画面进行分析，得到不同区域的最佳亮度同时控制LED背光达到相应的亮度。
　　关键词：LCD；动态控制；最佳亮度
　　中图分类号：TN312+.8文献标识码：A
　　
　　LED Backlighting Design of Dynamic Control
　　ZHANG Cheng-gong1, LIU Wei-dong2
　　(1.Dept.of Electron ,Institute of Information ,Ocean University of China ,Qingdao 266071,China;2.Module, Hisense R&D Center, Qingdao 266071,China)
　　Abstract:CCFL brightness previously due to the uncontrollable nature, LCD TV is the adjustment of the LCD control voltage, LCD transmittance change to achieve the overall brightness of the LCD control, This means that in many cases caused the backlight module light and energy wasted. Using dynamic brightness control can be very convenient way of regulating LED backlight power supply voltage or the input current small, thereby changing LED luminous intensity of the program, the television will lower energy consumption in LED conditions. Dynamic brightness control is shown on the screen for analysis, be different regions of the best simultaneous control brightness LED backlight brightness corresponding to achieve.
　　Keywords: LCD；dynamic control；best brightness
　　
　　引言
　　
　　 液晶显示技术[1]以其平板化、高分辨率、高对比度、无电磁辐射、低功耗、数字式接口、易集成和轻巧便携等特点率先进入平板显示市场并不断拓宽其应用领域。LCD已成为当代高新技术产业、信息产业中最重要的信息显示方式之一。LCD作为一种被动显示器件，本身并不能发光，因此必须要有背光模块给LCD提供光源。背光源的性能直接决定显示器的亮度、颜色以及功耗等主要指标。采用LED为液晶电视的背光源[2]，最主要目的是提升画质，特别是在色彩饱和度上，LED背光技术的显示屏可以取得足够宽的色域，弥补液晶显示设备显示色彩数量不足的缺陷，使之能达到甚至超过Adobe RGB和NTSC色彩标准要求，可以达到NTSC ratio 100%以上，同时因为LED的平面光源特性，使LED背光还能实现CCFL无法相比的分区域的色彩和色度调节功能，从而更加精确地实现色彩还原，画面的动态调整可以使得在显示不同画面时，亮度与对比度可以进行动态修正，以实现更好的画质。
　　
　　1LED背光源驱动控制电路设计
　　
　　 LED背光驱动设计的主要目的是在保证LED器件可靠工作前提下，提升其工作性能，不仅应实现亮度控制，还应实现精确的亮度匹配，或者支持不同Vf特性的LED器件，以更好满足LED背光的实用需求。
　　 由于LED在导通时，其电流的变化率远大于前向导通电压的变化率，因而测试其光学特性及分类时，大多基于一致的额定电流值，再给出前向导通电压的变化范围。这样的结果，就是要获得预期的亮度要求，并保证各个LED亮度、色度的一致性，需要相同的驱动电流。为了保证可靠性，驱动LED的电流必须低于LED额定值的要求。而且，当环境温度升高时所允许的额定电流会降低。由此可见，用LED为液晶显示设备作背光源时，需要对其进行恒流驱动，并且应该避免驱动电流过大超过其最大额定值而影响可靠性。
　　 由于LED出厂前的检测及分类，只是基于一致的额定电流值，因而出售的LED在额定电流值附近区域，其光学特性会很一致。但在距离额定电流值较远的区域，即使用相同的驱动电流，LED之间的光学特性也会出现较大的偏离。需要较低亮度时，一般会通过直接减少通过LED的电流来实现，但这样LED之间的亮度就可能存在很大的差异。比如，同样用5mA的电流驱动两个额定值为20mA的LED，其亮度都会减小，但两个LED之间的亮度会差别很大。对于中大尺寸的LCD背光应用中会有几十个甚至上百个高亮度LED同时点亮，如果其流过的电流偏离LED的额定值太多，即使流过每个LED的电流是相同的，也会出现亮度不均匀的情况。实际应用中，一般采用PWM调光来解决这个问题。相对于模拟调光中直接控制流过LED的电流，PWM调光可以实现流过LED的电流保持在额定值，通过控制LED点亮或者熄灭的占空比来调节亮度，仍可以保持LED之间亮度的一致性。
　　 LED驱动芯片的选择主要需要考虑以下几个方面的因素：驱动能力、效率、PWM调光和成本。本背光模组驱动电路设计方案的驱动芯片选用的是Supertex公司的HV9982[3]。HV9982有三路输出，R、G、B各一路，最多可以同时驱动54颗LED, HV9982的特点是：开关模式控制器、开关转换器，闭环控制的输出电流，高脉宽调制调光比，内部40V的线性稳压器，恒频运行，相分离器，以减少输入滤波器的要求，可编程斜率补偿，线性和脉宽调制调光，+0.2 A/-0.4A栅驱动器，开关晶体管，输出短路保护及输出过电压保护，Hiccup模式保护，模拟控制脉宽调制调光。
　　 HV9982是一个在恒定的输出电流模式下的三通道峰值电流模式脉宽调制控制器驱动的单开关转换器，可用于驱动RGB LED背光。三个输出电流可以采用线性或脉宽调制形式进行单独调节，该集成电路还包括三个场效应管驱动，允许高脉宽调制调光，还可以防止输出短路情况，具有回路保护功能。 HV9982驱动电路如图1所示，图中只是显示了红色一路输出，另外两路都是相同的。VIN是内部线形稳压器的输入端，VDD1~VDD3为三路LED灯输出提供电压，通过S1、S2来选择位PWM调节模式，HV9982通过CLK端输入时钟信号，此信号必须是TTL兼容方波信号，OVP管脚为输出提供过压保护，当此管脚电压超过5V时，HV9982芯片就会停止工作，同时计时器开始计时，当计时器计完后，HV9982芯片会尝试重新工作，再次检测OVP管脚是否超过5V，不超过就正常工作，超过则停止工作，如此重复。GATE引脚为N沟道功率型场效应管栅极驱动器的输出，CS引脚用于检测外部功率型晶体管的电流，还包括一个100ns的断路计时器，脉宽调制调光的途径是通过使用PWMD引脚，当S1为低电平时，三个引脚直接控制脉宽调制调光的三个通道，此时CLK输入必须为方波。REF引脚设定输出通道的电流大小，推荐的电压范围为0到1.25V，FDBK引脚通过外部接地电阻来获得电压信号，是输出电流反馈，在COMP引脚与其相应的接地端通过接入一个电容来形成一个稳定的闭环控制，保证电路输出的稳定性，FLT引脚是用于驱动外部断开开关，该断开开关是为了避免电路出现异常问题时发光二极管被损坏，是用来保护发光二极管的，且在PWM调光时通过断开和再次导通输出电容上的LED可以取得更好的PWM调光效果。HV9982具有LED开路保护和输出短路保护功能，当发生任何一种情况时，HV9982就会停止工作，并且尝试重新工作，GATE和FLT引脚输出无效，COMP和SKIP引脚电平被拉到地电平，一旦SKIP引脚电平低于1V，则电路异常情况消失，SKIP引脚连接的电容放完电后会被一个10μA的电流源重新充电，当充到5V时，COMP引脚会被释放，GATE 和FLT引脚变为有效，电路开始正常工作。当电路中出现短路情况时，GATE和FLT引脚输出被拉到低电平，FLT为低电平则相连晶体管就不能导通了，此时输出电流变为零，则短路情况被切断，同时，Hiccup计时器开始工作，当计时完成后，转换器重新工作，如果此时电路仍有异常情况，则转换器关闭进入故障循环，如果电路正常，则转换器会调节输出电流正常输出。
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　　2 LED灯载板设计
　　
　　 为了便于进行亮度的动态控制，RGB-LED分别进行独立驱动，并采用串连的拓扑结构，这是为了保证LED亮度的均匀性。若采用低亮度LED,亮度可能达不到应用要求的指标； 采用高亮度LED,背光模组亮度均匀性可能达不到指标，采用高功率LED所构成的背光源模块虽然LED之总颗数较少，但是高功率LED正向光太强，需要使用特殊的光学设计把光往外散开，成本增加发光效率又变差，否则就需要较大的混光距离，背光源因此就变厚了。相较于高功率LED，若改以小功率LED来设计，虽然颗数使用较多，但是小功率LED发光效率较好，虽然小功率LED颗数多，但是由于效率较高功率LED好，整个背光源模块的功耗会较低，相对应的点亮LED所产生的热也会较低。因此从节约能源、发光效率[4]及处理热问题的成本等方面来看，小功率LED目前是较佳的选择。为减小PCB面积，降低生产成本，适应电子产品的小型化，轻量化及高功能，选用SMT封装方式。
　　 要实现背光源的动态控制必须对其进行分区，目前情况下LED驱动器的驱动能力还是有限的，还没有达到能够驱动整台电视背光的能力，尤其是大尺寸液晶电视的背光源。采用LED作为背光源的液晶电视所需要的LED灯数量会很多，故要对整个背光源进行分区，理论上来讲分区越多，效果越明显，但所需要的驱动就越多，成本也就相应的提高了，可以在成本和性能上找个平衡点。
　　 LED光源发出的光经过各层膜片及TFT时都发生了一定的变化。知道了这些参数后，就可以根据需求亮度和产品基本尺寸，按式（1）估算（lambertian型LED）背光所需的总光通量。
　　
　　LED灯的布板方式可采用图2所示的方式，在灯板后面涂导热硅胶后用螺钉将其固定在背光模组后壳上，以利于LED灯的散热。例如40in液晶电视，如果要求屏的亮度达到500nit，采用三色合成白光的小功率型SMT封装LED灯，红光发光效率为48lm/W(20mA)，绿光发光效率为60lm/W(20mA)，蓝光发光效率为10lm/W(20mA)，由公式可估算LED灯数为1，080颗。为了有效混光及提高亮度的均匀性，LED灯排列采用图2所示方式，拟进行20分区。如果要加大背光源动态控制的能力，可适当增加分区数量。为了提高散热性能可在载板后涂导热硅胶，后用螺钉将其固定在后背板上。
　　
　　3 测试数据
　　
　　 经测试，色彩还原性、色域、对比度等要比CCFL的好，尤其是对背光进行动态控制时，当出现黑场时，整个LED灯全部关闭，功耗也要比CCFL的低，达到了节能的目的。
　　
　　4结束语
　　
　　 LED背光源低电压工作，不需高电压启动；色域宽；色彩还原性好；工作电流可变,可控性好；抗震性好，寿命长(100,000hr)；不含汞蒸气和其它有害气体，有利于环境保护；响应速度快；因此是背光源极好的光源。当屏幕中出现暗区时，对应于暗区的背光就关闭了，不是像CCFL那样一直都点亮，它会随PWM信号的改变而改变，可以对背光源进行控制，故可以节省电能。当有暗场时，完全可以把灯全部关掉，节约电能的同时还提高了对比度。正常工作时，背光源会根据图像内容的变化而进行相应的亮度变化，PWM信号的占空比会根据图像内容的改变而改变，同时PWM信号也控制着灯的亮度，通过控制PWM信号的占空比就完全可以控制背光源的亮度，真正起到节能的目的。应用LED的液晶电视图像质量会得到很大的改善，对比度得到明显提高，均匀一致性明显变好，色域明显增加。
　　
　　参考文献
　　[1] 赵立升，杜安，张伟.MSP－G320240D－BCW－211N大规模电阵式LCD与PIC单片机接口技术[J]. 液晶与显示，2004，19（6）.
　　[2] 雪生. 用于LCD的LED背光源[J]. 现代显示， 2005，（7）.
　　[3]http：//www.省略New Three Channel LED Driver IC Provides High Current Accuracy[EB/OL].
　　[4] 刘敬伟，王刚等. 大尺寸液晶电视用LED背光的设计和制作[J]. 液晶与显示，2006，10(5).省略。
　　
　　“本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文”
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