驅動中型LED背光系統的集成方案

LCD背光的質量影響著圖像的穩定性、光度和顏色，因此可說是高檔顯示器中最重要的組件之一。在現今的背光照明設計中，LED正迅速取代CCFL技術。原因是LED對電壓的要求較低、而且簡單易用，調光能力強，不含水銀而且效率更高。隨著LED在光度和成本方面的不斷改進，它們逐漸應用于較大型的LCD顯示器中。5英寸到15英寸的顯示器需要的不單是三個或四個的LED，而是動輒20個以上的LED陣列。

然而，驅動這么大的LED背光系統需要面對一系列的新挑戰。這些挑戰包括：為了維持均勻的亮度、色溫和較高的對比度，需要更精確的電流匹配；此外，還要減少功耗，以免影響效率、尺寸和整體的熱敏性能。當LED的電流被提升到數百毫安，并且要用較大的功率和流入電流源去驅動時，上述挑戰就顯得格外重要了。

大型LED背光系統要求的不單是一個恒流LED驅動器，而且需要一個集成背光控制器才能發揮出現今LED技術的潛能，以滿足LED顯示器的品質要求。

典型的背光應用
雖然有些LED(例如一般照明應用)可能只簡單地用一個配備有電流整定串聯電阻的穩壓電壓源來驅動，但事實上LED最好還是采用一個恒定電流源來驅動比較好。LED的亮度是電流而非電壓的一個函數，而且每個LED的電流在同一正向電壓(Vf)下都可能有明顯的差別。為了使LED呈現出最好的亮度和色彩，所有LED必須用相同大小的電流來驅動，而無須理會其Vf。最理想的情況是所有在背光系統上的LED都可排列成一行，這樣它們的電流便會一樣，從而省略電流匹配的麻煩。可是，大部份的背光系統都需要超過30個的LED，以典型Vf 為3.5V的LED為例，便可能需動用100V升壓轉換器來驅動。此外，LED經常會發生故障，假如燈串中有任何一個LED發生故障，那整個顯示器便會熄滅。

因此，更實際的做法是將LED并排成兩串。這樣所需的升壓便可較低，而且就算是一個LED出現故障都不會影響到整個燈串。不過，假如一次需要驅動多個并排的LED燈串時，那必須確保每串上的LED都享有相同的正向電流(行到行的電流匹配性)。此外，每一條并排通道都會在電流調節器內產生相關的功耗損耗，換句話說，并排的燈串數量愈多，那效率便會愈低而且整體的尺寸也會愈大。

最穩妥方法是驅動最少量的并排LED燈串，在每一條燈串上的連接升壓轉換器所能承載的最多的LED燈。每個燈串上能連接的LED數量取決于升壓轉換器的最大啟動時間和電壓限制。

需要注意的是大部份的背光驅動器都包含有獨立的升壓轉換器和電流調節器。正如圖1所示，驅動器被安排來驅動數個并排的LED燈串。

圖1 典型的LED背光驅動器

電路中的升壓級產生的電壓將LED燈串正向偏置，同時電流調節器確保流經每個LED燈串的電流都是穩定和相同。

我們現在討論的這種背光系一般都需要20～40V的電壓，具體的電壓值取決于LED的數量和類型。例如，大部份的系統都是用一個12V電軌的電源來供電，并且在150mA下驅動24個LED。這樣的系統會被安排成并排三行每行八個的LED串，而標稱的正向電壓為28V。這要求對于現今大部份的升壓轉換器來說都應付有余。

正向電壓的調節

對于”升壓加電流調節器”這個結合方案來說，有兩個主要的因素可影響其效能，這便是效率和可產生噪聲的拓撲。我們先考慮效率的問題。不管LED燈串的正向電壓如何，升壓轉換器必須能提供一個夠高的電壓才能將所有的LED燈串正向偏置。一個典型的白光LED在150mA下的Vf會處于0.3V范圍內。因此，由八個LED組成的燈串的正向電壓可能有4.8V的差異。為了確保每個并行的燈串都有足夠的正向電壓來驅動，升壓轉換器必須能發送出最大的電壓。可是，將電壓提升到最高的水平會降低效率，原因在于它會從LED燈串底部的電流控制器耗散更多的功率。我們繼續結合圖1的應用來說明這個問題。用150mA驅動三行每行八個的LED燈串所需的VA電壓(升壓輸出)為3.8V8+1V=31.4V。其中，假設最大Vf為3.8V，并且還需要1V來避免電流調節器到達飽和。假如LED在典型的3.5V Vf下運行，電流調節器內的功率損耗便等于3個燈串(31.4V-28V)0.15A= 1.53W。因此，真正供給LED的電力只有0.15A28V3=12.6W。比較之下，系統僅在電流調節器上便損失了12%的效率。

LM3431作為一個背光照明系統專用的驅動器，內部同時集成有升壓和恒流調節功能，因此不會出現上述因電流調節而產生的效率下降問題。圖2為一個簡化了的背光驅動器電路。

圖2 LM3431 LED背光驅動器

LM3431的升壓轉換器是用來調節電流調節器的電壓VC，而不是調節LED燈串的頂部。在這個方案中，升壓轉換器只需發送LED燈串所需的電壓，就可減低在電流調節器內的功率耗散。與此同時，LED的陽極電壓(VA)會隨著LED燈串的Vf而變化，所以必須進行調節才能為每一個燈串提供足夠的正向電壓。

雖然，系統可能擁有數個LED燈串，但卻只有一個電壓反饋節點。LM3431被設計成每一個LED燈串都經二極管連接到陰極反饋引腳(沒有在圖2中表示出來)。因此，可在最低的節點處監視陰極電壓。這樣，不管Vf如何變化都可確保所有燈串均有足夠的凈空，
在設計當中，電流調節器必須夠大才能在印刷電路板上提供足夠的銅散熱面積。因此，圖1電路的拓撲便需要更多的空間來為電流調節器散熱。LED本身的散熱設計就很有挑戰性，現在再加上從驅動器散熱問題，真可謂雪上加霜。由于LM3431需驅動外部晶體管來調節LED的電流，故封裝的尺寸完全可根據應用所要求的功率水平來調節。圖1中的應用在典型條件下每通道功率損耗為0.15W，如果我們假設最高的環境溫度為80℃，而NPN管的最高工作溫度為150℃，那我們便可計算出NPN的最高熱電阻為137℃/W。一個典型的SOT-89 NPN器件的熱電阻為104℃/W，這可說是一個合理的選擇(雖然有點熱)。然而， LM3431在典型條件下的每通道功率損耗為0.18W，所需的最大熱電阻為389℃/W，因此可選用SOT-23封裝。比較兩種封裝的面積，前者為 4.5mm4mm，而后者僅為2.9mm2.3mm。

高對比度PWM調光

PWM調光是控制LED亮度的最優方法。其原理是LED的正向電流會在一個固定的電平處出現脈沖，可以通過調節該脈沖的工作周期以控制亮度。這個方法不僅可提供一個穩定的色溫，而且還可在整個LED亮度級范圍內提供可預知的Vf。然而，100MHz是最低的可用調光頻率，否則便會出現肉眼可見的閃爍。LM3431可接受介乎25kHz～ 100MHz之間的任何一個頻率的調光信號，最低的啟動時間為400ns。

現今有不少像CCFL的背光技術都是采用一個模擬電平電壓信號來控制亮度。為了與這些調光系統兼容，LM3431內置有一個PWM調制器，它可以接受一個電壓電平輸入并能將它轉換成一個PWM信號，并通過外部的電容器編程來調節PWM調光頻率。在這種模式下，PWM工作周期便可在250mV～2.5V的范圍內隨著電壓線性地增加。配合這個方法，現行采用CCFL類電壓調光信號的電路便可與LM3431一起使用，并依照建議的方式來為LED調節光度。

在PWM調光期間，電路會出現高壓擺率的負載瞬態，并且隨后在VA和VC的節點處出現一個瞬態電壓響應。在這里有些人可會認為現在的設計重點是LED電流而并非電壓瞬態，只要瞬態下沖不低至使電流調節器飽和，那便不會出現問題。可惜這個看法是錯的。首先，要確保沒有飽和即意味需要更多的凈空和進一步加大功率的損耗。其次，PWM調光頻率一般介乎100～500Hz，有時可能高達1kHz，這些都處于耳朵可聽到的頻率范圍內。在這種頻率下的負載瞬態常會出現一種副作用，即從陶瓷電容器中發出可聽噪聲。流經電容器的電壓變化會產生物理上的膨脹和收縮效果，這效果可以大到產生出人耳可聽見的“吱吱”聲響。為了消除這個可聽見的噪聲，需要對一個典型升壓轉換器的輸出額外加上輸出電容。雖然，這樣做可獲得一個非常穩定的輸出電壓，但卻降低了功率和增大了電路板體積。

LM3431將PWM調光功能與升壓轉換器結合，可以解決這個調光問題。在每一個PWM調光信號的邊緣，都會在升壓控制環路中加插一個電壓降。這作法會使COMP引腳的電壓改變(錯誤放大器輸出)并使得升壓轉換器可將VA電壓推高至負載瞬態預期的電平。

圖3 LM3431在調光期間的VA和VC電壓

圖4 “升壓加電流調節器”的結果

這種系統可視為前饋，由于負載信息在瞬態發生前已被送到升壓控制環路，因此控制環路便可對LED的電流變化做出即時的反應。然而，所施加的前饋大小可由用戶調節，電壓步級可以根據系統的環路響應和每個應用的負載要求而進行微調。經過上述的處理后，LM3431的集成調光系統的瞬態響應便大大得到改善，在一般情況下只需動用單一個陶瓷輸出電容器便可。圖3及圖4分別表示出LM3431和圖1“升壓加電流調節器”方案的瞬態性能。兩者都同樣使用了一個陶瓷輸出電容器。圖4產生出很明顯的可聽噪聲，并且需要額外加上1V來增加VA以避免在瞬態期間使NPN飽和。

在LED電流和PWM調光信號的下降邊緣會出現一個卸載瞬態，對于任何的開關穩壓器來說，這種卸載瞬態都比負載瞬態更難以控制，但LM3431在這方面卻應付自如。

首先，相同的前饋信號會以相反的方向施加給控制環路。因此升壓轉換器便可預知卸載瞬態的發生，并且在LED熄滅時維持一個固定的VA電壓。在PWM調光的LED熄滅期間，VC節點(一般是提供電壓反饋給升壓轉換器)沒有被調節，僅僅是一個開路。這個節點實際上不會一路上升到VA，然而它并不是反饋的有效節點。為了讓VC反饋系統產生作用，要加上第二個反饋環路。但第二反饋環路只是在LED熄滅時才會運行。在LED點亮期間，LM3431通過VA反饋節點為輸出電壓取樣，而這個抽取回來的電壓會被保留在外部的“樣品”電容器并作為LED熄滅期間的參考電壓。當有PWM信號令LED熄滅時，升壓轉換器會將輸出電壓維持在先前于LED點亮期間所抽取樣品的電平。隨著LED的Vf改變，取樣點亦會改變，同時VA電壓會按每一個PWM周期的要求而變化。這種取樣/保留系統可穩定輸出電壓，并且在減少引致可聽噪聲的瞬態電壓步級的同時為輸出電壓提供良好的調節。我們可看見圖3中的VA波形在LED亮著和熄滅周期之間的位移少于100 mV。圖5所示為這種系統的基本元素，當中包含有兩條電壓反饋路徑、一個參考電壓和取樣電容器，以及一個前饋控制和LED電流控制器。

圖5 雙模式反饋系統的框圖

前饋控制的一個顯著優點是可提高對比度。由于在VA節點的瞬態下沖已減到最小，即使調光的周期很短都可準確地為電壓取樣。結果，就是在較低的調光頻率下，系統可輕易地達到1000:1的對比度。圖6所見為在調光期間的典型VA和LED電流波形。在對比度1000:1下的LED開動時間沒有出現性能下降，而且我們還可看到快速的上升時間、最小的電流下沖和的完全受控的VA電壓。

圖6 高對比度的調光

靈活的高速電流控制器
LM3431 LED電流控制器包含有三個帶有外部參考電壓設定的2MHz帶寬運算放大器。這三個內部電流控制器每一個都連接到同一個的參考電壓(圖5所至為一個經簡化的電路)。該三個運算放大器會按照PWM調光信號開動和關閉，并且能夠驅動超過10V/μs的壓擺率。根據選用的NPN，LED電流壓擺率甚至可超過1A/μs。為了增加靈活性，驅動器還能夠以一個高至6V的柵極驅動電壓來驅動N溝道的FET。

LM3431能夠驅動大部份燈串電流在20～500mA的背光照明系統，運算放大器的參考電壓(非反向輸入)可用一個連接有可用參考電壓的分阻器來調節。其可在工作溫度范圍內達到2%的精確度。運算放大器的參考以一個輸入引腳的形式提供，所以假如要求更高的精度，便可使用外部的精密參考。再一次強調，這方法的靈活性極高，因為它可根據不同的應用而進行優化，從而獲得最優的效率、精度和LED電流電平。此外，三條通道之間的偏置被嚴格地控制，以保證每個LED燈串之間的電流能配合得準確無誤。

對于PWM調光性能的高低，另一個量度標準便是調光的線性度，亦即是平均的LED電流與DIM信號輸入的匹配性。這很大程度上與驅動器相關，但也會受到NPN速度和升壓轉換器響應的影響。

圖7 低紋波和無過沖的LED電流

基于驅動器優良的性能和受到良好控制的瞬態響應，LED電流展現出很低的紋波而且沒有出現過沖。圖7為一個在10mA電流下的LED電流上升和下降邊緣，其峰值LED電流為150mA。

LED故障防護
LED背光系統的故障比較容易預測，例如開路LED故障或連接器故障等。因此，LED的故障防護可以設計得比較智能化，使其相對耐用，并盡可能維持運行時間。通常，這種防護都是通過離散電路來實現的。

LM3431集成有幾個智能型的LED故障防護功能，除了傳統的過壓和過熱防護外，LM3431還可對開路LED、LED燈串短路和任何有可能發生的背光故障進行嚴密的監視。基本上，故障偵測都是在VC節點處加入第二個連接來達成，稱之為SC。至于故障響應的快慢則視乎所偵測的故障種類而定。