液晶顯示器的LED背光驅動控制設計方案

本文介紹了一種液晶顯示器的LED 背光驅動控制設計方案，對電路的整體控制、各項功能的實現、各性能參數的詳細計算方法以及電路的具體設計等一一進行了闡述，并給出了相關的控制框圖和時序圖，配合靈活的FPGA 的軟件編程以及恰當的LED 燈組布局，可以實現良好的LED 背光驅動控制。

　　相對傳統的CCFL 液晶顯示器背光源存在色階差、色純度低、需高壓驅動導致功耗大、屏厚度大等缺點而言，LED 背光源以其功耗低、壽命長、更環保、屏厚度低等優點在民用和軍用顯示產品上得到更多應用。尤其是它超強的色彩表現力更是CCFL 背光源遠不及的， 其色彩飽和度達到甚至超過Adobe RGB 和NTSC 色彩標準要求， 可以達到NTSC ratio100%以上平面光源特性， 而CCFL 背光只能實現NTSC 色彩區域的78%。另外，LED 的高刷新頻率使其在視頻方面有更好的性能表現，LED 顯示屏的單個元素反應速度是CCFL 背光液晶屏的1 000 倍，即使是在強光下也可以照看不誤，并且適應零下40 ℃的低溫。

　　隨著LED 背光源越來越廣泛地應用，其驅動電路的良好設計也就顯得格外重要。對于普通的小型液晶顯示器而言，通常只要幾個LED 燈便可滿足其顯示要求，因此對驅動電路的要求也較低。對于中大型液晶顯示器而言，常需要幾十、上百個的LED 燈，對電路驅動能力的設計要求就更高。筆者介紹的基于LT3599 LED 背光源驅動控制電路， 可以適用于中大型液晶顯示器(同樣也可適用于小型液晶屏背光源的驅動)。此電路經測試和試驗驗證，能滿足各種常規中大型液晶顯示器的背光驅動控制電路的要求。

　　1 LT3599 簡介

　　LT3599 是一款真彩色PWM 脈寬調控的DC/DC 轉換器，它的占空比高達3 000:1， 帶有4 路LED 驅動， 每路可驅動120 mA 電流，且每路的電流大小均可編程控制和獨立開關。

　　它能適應3.1 V～30 VDC 的寬輸入電壓范圍， 輸出電壓高達44 VDC，開關頻率范圍為200 kHz～2.1 MHz，同步時鐘的選擇靈活———即可接外部時鐘也可用自帶同步時鐘。

　　LT3599 帶過壓、欠壓、過流、過熱、抗較大浪涌電流、輸出短路或開環保護等完善的保護功能，是一款安全可靠的集成控制芯片。

　　2 電路的總體設計

　　整個驅動控制電路的整體構成框圖如圖1 所示，由多路電源輸出模塊、LT3599 控制模塊、FPGA 可編程PWM 脈寬控制模塊、LED 燈組模塊組成。LT3599 內部是升壓電路， 將輸入的電壓在FPGA 模塊的控制下轉換成LED 燈組所需的穩定電流和電壓，從而實現亮度、對比度調節，提供給液晶屏穩定均勻的背光源。

　　圖1 驅動控制電路系統框圖

　　2.1 多路電源輸出模塊的設計

　　設計時選用了日本COSEL 公司的CBS502424、CBS502403集成電源塊，設計成可調穩壓電路。外部電源只有一路(+28VDC)輸入，經內部的整流、濾波、電壓轉換和穩壓處理后，轉換輸出給FPGA 模塊以及LT3599 控制模塊所需要的+5VDC、+3.3 V 和+24 VDC 等多路電壓。

　　2.2 LT3599 控制模塊的設計

　　LT3599 有2 種封裝：28 個管腳的封裝和32 個管腳的封裝，其中32 個管腳的封裝是熱控增強型封裝，對于高亮及中大型液晶屏來說， 選擇32 個管腳的熱控增強型封裝設計電路更穩定可靠。其典型控制電路如圖2 所示。

　　圖2 LT3599 典型應用電路

　　2.2.1 輸出LED 驅動電流大小的設計

　　#pLT3599 有4 路#e#LT3599 有4 路LED 電流輸出通道， 每路輸出的電流大小在30～120 mA 之間， 具體通過設置ISET管腳所接電阻RISET值大小來控制， 此RISET電阻值范圍在11～44.2 kΩ 之間，RISET值與LED 驅動電流大小的具體計算方法為：

　　LT3599 通過PWM 脈寬調控來改變其輸出給的LED 電流值大小，從而改變LED 的亮度，實現對液晶顯示器亮度和對比度的調節。PWM 脈寬與LED 電流的關系曲線圖如圖3所示。

　　圖3 PWM 脈寬時序與LED 電流關系圖

　　2.2.2 開關頻率的設計

　　LT3599 有很寬的工作開關頻率，在200 kHz～2.1 MHz之間，具體由管腳RT所接電阻值的大小來決定，RT值與開關頻率大小的關系圖如圖4 所示。

　　圖4 開關頻率與管腳RT所接電阻值關系曲線圖

　　要想設計出最適合的電路開關頻率，需綜合考慮幾個方面：

　　1)開關頻率越高則電感值越小，高頻開關損耗也就越小;

　　2)對于低壓驅動多個LED 燈的情況，需盡量設置低的開關頻率;

　　3)設計時需考慮總電壓功率的損耗。

　　4)LT3599 內部的同步時鐘頻率在240 kHz～1.5 MHz 之間，對于啟用了LT3599 內部SYNC 同步時鐘頻率的電路，電路的開關頻率設計時需低于LT3599 內部同步頻率的20%，否則會導致電路工作不穩定。

　　2.2.3 輸出LED 所需電壓的設計

　　LT3599 輸出電壓的大小通過設置電阻R10、R11的值來確定，計算公式為：

　　為了確保電路長期使用的可靠性和輸出效率，設計時輸出電壓值一般要高于LED 所需電壓的10%。為了減少輸出紋波， 在LT3599 電壓輸出端需還接一個4.7～10 μF 的電容。

　　另外需注意，Vout 管腳處所接肖特基穩壓管允許通過的平均電流需大于LED 驅動電流，此肖特基穩壓管的最大反向電壓還需大于LT3599 輸出電壓Vout。

　　2.2.4 保護電路的設計

　　1)過壓保護的設計：通過FB 管腳設計電壓反饋環路從而實現過壓保護功能。FB 腳參考電壓為1.233 V， 具體的保護電路設計如圖5 所示。

　　圖5 用FB 管腳設計過壓保護電路

　　2)熱保護電路的設計：用VREF、TSET管腳設計熱保護電路。