针对背光应用的多样化解决方案

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在越来越多的新兴需求和绿色节能趋势推动下,能够提升电源能效的电源和电源管理技术的应用将快速增长,背光就是一种典型的应用需求。虽然目前液晶电视的背光源仍以传统冷阴极荧光灯(CCFL)为主,但随着全球节能环保意识的日益增强,新型发光二极管(LED)背光源已广受关注,成为CCFL的有力竞争者。在便携式应用方面,液晶背光LED驱动方案更需要满足高能效、延长电池使用时间、减小印制电路板面积等要求。本文将探讨背光市场和应用的特点及需求。

背光应用的需求和挑战

 LED具有高色彩饱和度、环保耐用等优点,已在各种中小尺寸LCD面板中大量应用,目前正逐步向笔记本电脑、液晶电视等大中型LCD背光源市场渗透。2009年液晶电视采用LED背光的比例仅为3%,在未来三四年内,将可迅速攀升至40%至50%,为开发LED驱动器方案的厂商带来了巨大商机。

 与CCFL相比,LED背光源的色彩表现更具优势。LED采用5 V~24 V低压驱动,非常安全,驱动电路设计较为简单,也非常节电。LED不使用对环境有害的汞,也就不存在汞泄漏等问题。LED技术也面临着一些挑战,如发光效率较低、成本高、价格昂贵。随着LCD背光向多种LED技术转移,设计工程师还要应对电源管理、热管理和色彩管理等新的挑战。

 目前,汽车电子、移动设备、LCD背光、可寻址标志及通用照明等都是LED技术的潜在应用领域,其中LCD背光将成为LED技术的下一个主战场。

此外,电池供电的便携式应用功能越来越多,尺寸也越来越小巧,使得这些设备的功率需求也越来越高。采用低功率LED驱动器更有助于节省功耗,延长电池寿命,给消费者带来更好的使用体验。

1. 中大尺寸液晶电视LED背光方案

 LED背光液晶电视主要有侧光式和背光式两种方案,其电源管理的重要要求就是提高能效;另外,由于LED背光液晶电视以超薄外型为重要卖点,其电源管理方案更要以低高度来配合纤薄设计,还要顾及散热、降低电磁干扰、不同通道亮度匹配、调光及故障诊断和保护等问题。

 

(1)侧光式方案:高性价比多通道线性LED侧光式方案在半桥转换段采用NCP1397初级侧控制器和500 V高压MOSFET NDF05N50,以及6通道线性LED驱动器CAT4026。CAT4026是用于大尺寸侧光式LED背光液晶电视的高性价比多通道线性LED驱动器,可以单颗IC支持6个通道,易于分级为多达12个或18个通道(相应采用2个或3个控制器),目标能效高于90%,典型能效达94%;提供<±2%的极佳电流匹配精度及<1%的400 Hz PWM调光范围,并采用外部功率双极结晶体管实现更好的散热。

 该方案由LED背光转换器(NCP1397等)和LED控制器(CAT4026等)组成(见图1),支持低高度LED背光液晶电视设计,电路板上高度低于8 mm,总高度低于12.5 mm,还可以优化处理宽范围调光、散热、故障保护等,使电源设计挑战迎刃而解。

图1:大屏幕LED背光液晶电视侧光式方案(黄 色背景部分)(电子系统设计)
图1:大屏幕LED背光液晶电视侧光式方案(黄 色背景部分)

(2)直下式方案:NCP1034采用高达500 kHz的可编程开关频率驱动一对外部N沟道MOSFET,能够灵活调节集成电路的工作,以符合系统级要求。另外,内部1.25 V参考电压可以对输出电压精密稳压,用于低压应用。该器件具有预防电气故障的保护特性,如欠压锁定和断续(hiccup)电流限制,在发生故障时可提供系统级安全性。其优势包括驱动高能效场效应管(FET)及为1颗或多颗器件提供固定频率。

2. 便携式设备LED背光方案

对便携式电子设备设计人员来说,高效能和小尺寸通常是最优先考虑的因素。推出了各种为便携式设备优化的LED背光方案,如用于扣式电池供电设备的低功率LED背光驱动器,以及用于手机和数码相机等的LED背光驱动器,以配合客户在获得小尺寸设计的同时延长电池使用时间,推出符合用户需求的创新产品。

 (1)钮扣式电池供电设备LED背光驱动器:越来越多的创新型便携设备采用了钮扣式电池,如血糖仪、数字体温计、血氧计、呼吸分析仪和生理监测仪等。由于这种电池的独特特性以及需要长工作寿命,这些紧凑型应用需要定制的LED驱动器,不仅要管理背光,还要监测电池电量。

 (2)手机和数码相机等LED背光驱动器:线性、电感型和电荷泵型等不同拓扑的LED驱动器,用于手机和数码相机等便携产品。这些驱动方案具有高能效,可延长电池使用时间,减小印制电路板面积和高度,实现纤薄造型。具体而言,线性方案适合色彩指示器和简单的背光应用,电感型方案能效最佳,电荷泵方案占板面积和高度极小,适合不同应用。

 便携产品要显示高分辨率照片、影片或网页,获得良好的用户体验,就要采用较大尺寸的LCD屏幕,需要更多的LED背光。驱动更多LED需要消耗更高功率,根据模拟环境光传感器的输入自动调节背光电流,使屏幕亮度与环境光匹配,节省电池电量。图3是采用NCP5890的多个白光LED应用电路图。

图3:采用NCP5890的多个白光LED应用电路图(电子系统设计)
图3:采用NCP5890的多个白光LED应用电路图

NCP5890是一款独特的照明管理器,在极小封装中集成了LCD背光、装饰光控制和环境光感测功能。该器件输出电压为30 V,可管理多达8个串联LED,实现LCD屏幕的均衡背光。该器件还可控制三组白光LED或RGB LED,在键盘或底盘上营造出装饰光图案。NCP5890是紧凑型智能手机和便携式媒体播放器专用解决方案。

此外,NCP5890还内置了渐进调光功能来营造淡入淡出效果。环境光感测和渐进调光都是内置的自动化功能,可以简单IC指令激活。该器件支持IC协议,有两种不同的地址选项,还具有真关断(true cut-off)功能,限制关闭模式下的泄漏输出,以延长电池使用时间。