创新性LED驱动器简化HDTV显示器背光照明

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作者:凌力尔特公司电源产品部产品市场总监 Tony Armstrong


背景

在整个LED驱动器市场上,用于驱动白光LED的LED驱动器IC占到了约50% 的份额,而这些白光LED广泛地应用在许多手持式电池供电型便携产品中的小型显示器背面照明。不过,这种应用已经成熟,在未来 5 年没有很大的年复合增长率 (CAGR)。就 LED 照明应用而言,增长率远大于手持式背光照明领域的 3 个最大的细分市场是汽车前灯照明,接下来是大型 LCD HDTV,最后是通用照明。

然而,对于LED的推广普及 (它将成为许多模拟IC供应商的一项主流业务) 来说,2008年是至关重要的一年。LED 本身满足了一些关键性能标准要求,这将转变成对 LED 驱动器 IC 需求的极大增长,LED 驱动器 IC 是在各种最终应用中驱动 LED 所必需的。

不过,尽管取得了这些重大进步,就能量转换效率、热量管理和生产成本而言,还可以做更多事情。例如,LED 效率已经有了极大提高。这些改进来自在芯片内可更好地产生光 (> 100流明/瓦) 以及更好地从芯片及其封装中抽取光的方法。类似地,20mA 白光 LED 的销售价格已经极大地降低了。最初推出时,批购报价为 1 美元。今天,有可能以不到 20 美分的批购价买到这些 20mA 的白光 LED。


在 HDTV 中用 LED 背光照明取代 CCFL

增长最高的消费电子产品市场之一是平板 LCD HDTV。这些大型平板电视机传统上一直采用 CCFL 背光照明。但是消除 CCFL 照明中有毒水银蒸气、同时提高效率和性能的需求已经推动 LED 背光照明进入新的 LCD HDTV 设计的前沿。此外,由于很多国家的政府已经采取了新的“绿色”措施,以消除诸如在 CCFL 中常用的水银等有毒材料,因此帮助促进了这种趋势。

随着消费者需要更大的平板 HDTV 和更高的分辨率,对电视机的需求已经迅速从等离子 HDTV 转移到了 LCD HDTV。根据很多市场调查公司的研究,等离子 HDTV 的销售在 2008 年达到高峰,收入约为 240 亿美元,而 LCD HDTV 享有 750 亿美元的市场,到 2010 年将增长到 930 亿美元。不过,LCD HDTV具有诸多缺点,包括从快速运动图像模糊到彩色再现不准确等等问题。就目前一代 LCD HDTV 而言,不能获得真正的黑色,而且所有颜色的动态范围都有改进余地。例如,大多数 LCD HDTV 只能提供 450 至 650dc/m2 的对比度。这些 HDTV 的主要问题是它们不能彻底关断 CCFL 背光照明或对其进行局部调光。

相反,用高亮度 (HB) LED 背光照明,一个 LED 阵列 (就 55 英寸显示器而言,有多达 2,400 个 LED) 可以分成 240 个单独的调光组。每组通常由 8 到 10 个 30 至 50mA 的 LED 组成,这些组可以通过单个引脚独立调光,从而提供局部调光。这样的设计提供几乎比 CCFL 设计高一个位数级的对比度 (> 4,000 cd/m2)。此外,通过以宽调光比调节 LED 组背光照明,可以再现更多中间色调颜色,从而提供更生动的画面。

能够局部完全关断LED的另一个好处是可以减轻运动模糊现象。通过在帧之间彻底关断 LED,几乎完全消除了与快速移动物体有关的模糊问题。在解决 CCFL 背光照明 LCD HDTV 遇到的这种快速运动模糊问题时,LED 非常快的响应速度是关键。

为了让局部调光设计可行,需要具有多个通道、能以非常宽的调光比独立调光的 LED 驱动器。幸运的是,有些电源 IC 设计师已经预料到了这种需求。


LED 调光需考虑的因素

LED 调光通常通过采用一个 DC 信号或一个滤波 PWM 调节流经 LED 的正向电流来完成。降低 LED 电流可调节 LED 光输出强度,不过正向电流的变化还改变 LED 的颜色,因为 LED 的色度随电流而变。很多应用 (诸如 LCD HDTV) 以及甚至汽车背光照明都不能容许 LED 颜色有任何偏移。在这些应用中需要宽调光范围,因为环境中有不同的光线变化,而且人眼对光强的微小变化都很敏感。通过应用一个 PWM 信号来控制 LED 的光强允许对 LED 调光而不改变其颜色。

“True Color PWMTM (真正色彩 PWM) 调光” 通过一个 PWM 信号对 LED 调光。它实质上是以 PWM 频率用满电流接通和断开 LED。人眼有每秒 50 至 60 帧的限制。例如,通过将 PWM 频率提高到 100Hz,人眼就会感觉脉冲光源是连续接通的。此外,通过调制占空比 (“接通时间”的长度),可以控制 LED 的光强。采用这种方法时,LED 的颜色保持不变,因为 LED 电流值或者为零,或者为一个恒定值。很多 HDTV 设计师需要 3000:1 以上的调光比,以适应多种环境照明情况。


用于 HDTV 的创新性 LED 驱动器

一种专门用于 HDTV 的新型创新性 LED 驱动器 IC 就是凌力尔特公司的 LT3595A。这个降压模式 LED 驱动器有 16 个单独的通道,每个可以从高达 45V 的输入驱动一串由多达 10 个 50mA 的 LED 组成的 LED 串。每个通道都可用来驱动由 10 个 LED 组成的 LED 组,以提供局部调光。这样,每个 LT3595A 都可以驱动多达 160 个 50mA 的白光 LED。一个 46 英寸的 LCD TV 需要约 18 个 LT3595A。其 16 个通道中的每一个都可以独立控制,并具有单独的PWM 输入,这具有高达 5000:1 的 PWM 调光比。

每个通道仅需要一个纤巧的片状电感器和一个甚至更加纤巧的陶瓷输出电容器。唯一所需的其他组件是单个输入电容器和电流设置电阻,如图 1 所示。所有16个通道的箝位二极管、电源开关和具补偿功能的控制逻辑电路均被压缩在LT3595A较小的56引脚、5mm × 9mm QFN封装之中。

 

图 1:从 45V 输入驱动 160 个 20mA 白光 LED 的 16 通道 LED 驱动器


LT3595A 在 2MHz 开关频率时具有 92% 的峰值效率,从而无需外部散热器。此外,这个 2MHz 的开关频率极大地减小了 PCB 上所需多个电感器的尺寸,因此允许非常薄的 TV 外壳。这是一个关键因素,因为大多数消费者想要将 HDTV 安装到起居室的墙上,因此出于美感原因,需要重量轻和纤薄的外形设计。

 

图 2:图 1 所示的 160 个 LED 驱动器的效率高于 92%


LT3595A 的 PWM 调光能力高达 5000:1。图 3 显示 5000:1 的 PWM 调光波形和一个看起来非常方形的 LED 电流波形。甚至在仅为 2us 的接通时间时,一个 20mA LED 的电流与 100Hz PWM 信号同步地接通和断开。更高的 PWM 调光比可用更低的 PWM 频率实现,但是 100Hz 保证不存在可见闪烁。

 

图 3:图 1 电路的 5000:1 PWM 调光波形


所有 16 个通道的完整LED亮度都通过单个外部电阻器来设定。每个通道具有相同的编程 LED 电流 (设定在 10mA 至 50mA 之间)。通道至通道的 LED 电流准确度在 8% 之内。True Color PWM 调光用减小的占空比提供准确调光,而在所发射的光中没有任何颜色偏移。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内提供稳定运作。通过内部检测电阻器对每个通道的 LED 电流进行的直接控制以及每个通道的内部开关和控制电路提供了用于 LED 驱动的出色恒定电流源调节性能。内部 100mA 电源开关和 56 引脚 QFN 封装裸露的导热焊盘提供足够的功率和热量管理,以在 50mA 处理 16 个通道的功耗和热量。


结论

显然,LED 已经成为用在 HDTV 中的大型平板 LCD 显示器背光照明的主流选择。不过,系统设计师仍然需要拥有满足其特定设计性能要求的 LED 驱动器 IC。结果,LED 驱动器 IC 必须能够以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:

• 宽输入电压范围
• 宽输出电压范围
• 高效率转换
• 严格调节的 LED 电流匹配
• 低噪声、恒定频率工作
• 独立的电流和调光控制
• 宽调光比
• 用极少的外部组件组成占板面积紧凑的小型解决方案