用于降低液晶電視機功耗的LED驅動技術

 據(jù)超高能效設備與電器推廣(SEAD)項目估計，電視機能耗大約占全球居民消耗電能的3%至8%。由勞倫斯伯克利實驗室開展的研究分析認為，如果采用更加高效的LED驅動等先進技術，將可以顯著降低電視機的能耗。

幾乎毫無疑問的是，采用LED背光照明的液晶顯示器(LCD)技術是達到權威機構建議的效率目標的唯一可行方法。等離子電視機的缺點是每個像素都是有源發(fā)光體，因此其功耗直接正比于像素的數(shù)量。在相同分辨率和亮度條件下，高清等離子電視機的功耗大約是LCD顯示器的2至3倍。而廣為宣傳的OLED技術并沒那么快上市，而且這種“極度前沿的”大屏幕技術要求的投資額是非常巨大的。然而，采用目前最先進的TFT-LCD技術和具有“智能”直接LED背光照明及局部調光功能的大顯示屏要比OLED便宜許多，而功耗和圖像質量相近。

但目前的液晶電視機，包括采用LED背光照明的液晶電視機，仍與它們在今后幾年中要達成的效率目標有一定差距。不過最新的LED驅動電路設計技術具有顯著的節(jié)能效果，在幫助電視機制造商滿足嚴格的功耗要求方面可以發(fā)揮較為深遠的作用。

不斷變化的電視機功耗標準要求

能源之星電視機功耗標準是2008年推出的，這個標準中的電視機功耗指標每年都會不斷降低。由于不管多大尺寸的電視機，目前標準允許的最大功耗都是85瓦，因此對大屏幕電視機來說設計挑戰(zhàn)會更加艱巨。

雖然能源之星是自發(fā)標準，但具有很大的影響力，而且也不是唯一的一種法規(guī)。例如加州能源委員會就頒布有自己的標準。他們這個標準比能源之星標準還要嚴格，并且具有很大的殺傷力——它禁止在加州地區(qū)銷售不能滿足其能效指標的電視機。在歐洲，相關法規(guī)也已頒布很多年了，允許對白色家電的能耗進行直接比較(歐盟能源標簽)，消費者經常把它作為購買決策的基本依據(jù)。對電視機、汽車等產品來說這些法規(guī)現(xiàn)在都是強制性的。

LED背光照明的工作原理

由于LED背光照明功耗約占液晶電視機整個系統(tǒng)功耗的30%至70%，因此提高背光照明電路效率對改進系統(tǒng)效率有相當大的作用。正如電源系統(tǒng)設計中經常遇到的情況那樣，許多不起眼的效率改進措施組合在一起可以實現(xiàn)顯著的節(jié)能效果。

LED背光照明的實現(xiàn)方式主要有兩種(見圖1)。在間接或邊緣點亮式背光照明方案中，LED放置于屏幕的邊緣，并通過導光裝置將光線均勻的分布到整個顯示器。這種方案在大至40英寸的屏幕中具有很好的光學均勻性，而且背光照明部件的厚度只有5mm至10mm。

圖1：液晶電視機可以采用兩種LED背光照明方式中的一種。

在直接背照系統(tǒng)中，LED直接布置于LCD的后面，具有低功耗、良好的熱設計和優(yōu)秀的可擴展性能，特別是對屏幕尺寸沒有限制。這種屏的厚度通常要比邊緣點亮型屏厚，但借助于最新的發(fā)光技術，現(xiàn)在這種顯示器厚度也可以做到8mm了。直接背光照明的一個重要優(yōu)點是，它可以實現(xiàn)復雜的局部調光功能，進而降低功耗，提高動態(tài)對比度，使最新的電視機設計能與OLED相媲美。

LED背照系統(tǒng)的架構選擇

設計師一般會根據(jù)最大限度地節(jié)省能耗和顯著增強圖像質量標準來選擇LED背照驅動系統(tǒng)的架構。另外，設計師也希望能在本地控制LED串和最低的材料清單(BOM)成本之間取得最佳平衡。

單串和單個DC/DC轉換器

這種方案用開關電源(SMPS)給成串放置的背照LED提供電壓，并用電流槽來調節(jié)流經LED串的電流。為了盡量降低功耗，ILED電流槽處的電壓要求比必需電壓高一點，以便保證LED能夠接收到規(guī)定的電流(見圖2)。

圖2：單串、單個DC/DC轉換器的背照系統(tǒng)架構。

常見的設計方法是建立一個從ILED電流槽到開關電源的反饋路徑，用于調節(jié)開關電源的輸出電壓。這條反饋路徑建立后就允許不同LED之間存在的正向電壓(Vf)變化。白色LED的Vf典型值約為3.2V，但不同LED的變化可能高達±200mV。因此，在有10個LED的串中，總的VLED電壓值可能在30V至34V范圍內。

DC/DC轉換器要求的輸出電壓可以表示為：

假設VSINK為0.5V，那么ILED電流槽必須將VDC-DC調整到30.5V至34.5V范圍內，具體取決于實際的LED正向電壓。

多串和多個DC/DC轉換器

單串的LED很少能夠滿足要求，因為隨著串中LED數(shù)量的增加，DC/DC轉換器的輸出電壓也要隨之增加。在VOUT/VIN超過某個比值后，開關電源的效率會急劇下降。因此LED背光設計師可以使用多個LED串來避免開關電源輸出過高的電壓。

最簡單的方法是每個串復制單個串單個DC/DC轉換器的拓撲(見圖3)。這種方法的優(yōu)勢是效率高，因為每個串的電壓可以單獨調節(jié)。缺點是成本高，因為每個串需要自己的DC/DC轉換器、MOSFET、線圈、二極管和輸出電容。為了節(jié)省BOM成本，設計師可以通過使用長串來減少LED通道的數(shù)量，即在每個串中使用更多的LED。但這種方法會犧牲系統(tǒng)實現(xiàn)局部調光的能力，而這是另外一種重要的節(jié)能技術。因此這種拓撲不管怎樣變換都不會特別吸引人。

圖3：每個LED串使用單獨的DC/DC轉換器是一種昂貴的方案。

多個串使用一個DC/DC轉換器

多個串加上單個DC/DC轉換器的拓撲是降低BOM成本的一種更好方法(見圖4)。該方法的缺點是，開關電源的電壓必須調節(jié)到高過具有最大正向電壓的那個LED串，這意味著系統(tǒng)的工作電壓要高于具有較低正向電壓的那些串所必需的電壓，也即意味著ILED電流槽必須從具有較低正向電壓的LED串上消耗過多的功率，這會產生必須從電路板散發(fā)的過多熱量，從而降低能效。

圖4：采用一個DC/DC轉換器接多個LED串的拓撲時，開關電源的電壓無法做到最優(yōu)。

多串混合架構

整合了多串部件和多個DC/DC轉換器的架構可以在效率和BOM成本之間提供最佳平衡。這種混合架構(見圖5)有多個DC/DC轉換器為LED串組供電。

圖5：混合架構可以在BOM成本和能效之間達到最佳平衡。

這種解決方案可以提供最高的總體能效，因為它整合了直接背照系統(tǒng)中的局部調光優(yōu)勢和良好的DC/DC輸出電壓調節(jié)功能，而且還可以通過高效的多個串、多個DC/DC轉換器架構提供真正的BOM節(jié)省。

調節(jié)電流以匹配LED的特性

LED制造工藝會造成不同LED之間的亮度和色溫有很大的變化。為了方便用戶，白色LED制造商會將每個制造的單元分配到在顏色、亮度和正向電壓方面性能相當?shù)腖ED組或“箱”。但制造商針對每個亮度和色溫箱制訂的規(guī)格只在特定標稱工作條件下才有效。這意味著LED電流必須設置為數(shù)據(jù)手冊中規(guī)定的標稱電流才能產生規(guī)定的亮度和顏色。

結果是，只能通過數(shù)字PWM控制信號將任何一個LED的電流切換到導通(標稱電流)或關斷(零電流)狀態(tài)才能實現(xiàn)調光和亮度控制功能。在模擬調光時，LED將工作在規(guī)定的標稱電流范圍之外，這將導致不可接受的色溫變化和不良的LED至LED亮度匹配(見圖6)。

圖6：來自相同箱的LED亮度只有在標稱電流時才能保證匹配(本例中為20mA)。

電流槽特性

由于LED要求完全穩(wěn)定的恒流電源，因此LED驅動器的主要作用只需是在導通時將電流設為標稱值，在關斷時將電流設為0A。這樣，控制調節(jié)精度的反饋環(huán)路要求使用特別精密的電流槽(見圖7)。

雖然市場上有各種電流槽設計，但電視機背光照明的高精度要求(電流調整率高于±0.5%)需要使用精密運放來設置獨立于ILED電壓的ILED電流。但在背光照明驅動器應用中，任務更具挑戰(zhàn)性，因為即使電流槽的電壓降低到非常小時也必須保持電流調整的精度。

這是一個很難滿足的要求，但AMS公司提供的四代高精度電流槽LED驅動器——AS369x、AS381x、AS382x、AS385x就是特別針對這種應用設計的。這些器件也采用了偏移補償式運放。電流槽驅動器要求漏極處于最小電壓值(VDS(sat))，以便確保電流槽晶體管在飽和區(qū)內具有完整的精度并能夠正確地工作。在飽和區(qū)內，柵極-源極電壓主要用于控制輸出電流。

如果想要電流槽高效率地工作，VSET和VDS之間的壓降要低，這一點很重要。采用運放并內置偏移抵消功能的LED驅動器可以保持VSET電平低至125mV至250mV。要想使VDS具有超過VDS(sat) 150mV的額外余量，電流槽的總壓降必須在400mV左右。對于具有8個LED的串來說(此時Vf?= 8 x 3.2 = 25.6 V)，ISINK中的功率損失約為1.5%。當AMS背光LED驅動器中不包含偏移抵消功能時，VSET的值將更高，這將使電流槽的功率損失更多。

圖7：電流槽設計;精密電流槽要求使用帶偏移補償功能的精密運放。

用于優(yōu)化功耗的反饋調節(jié)機制

如上所示，從LED驅動器到開關電源建立的反饋路徑將漏極電壓設置為最低要求值。輸出電流槽可以用簡單且成熟的電流輸出驅動器加上一個外部電容來實現(xiàn)(見圖9中的左圖)，或者使用能夠設定啟動/釋放時間并用數(shù)模轉換器控制電流輸出的數(shù)字控制電路來實現(xiàn)(IDAC)(見圖8中的右圖)。

圖8：至開關電源的反饋環(huán)路的兩種不同實現(xiàn)方法。

這兩種解決方案都具有很高的效率，能使用各種帶電壓反饋環(huán)路的開關電源，而且都可以通過將反饋回路從不止一個驅動器連接到同一開關電源來實現(xiàn)，這正是混合架構系統(tǒng)的要求。

然而，第二種數(shù)字實現(xiàn)方法具有一些特定的優(yōu)勢。除了同樣不要求使用輸出電容外，這種數(shù)字電路還能讓設計師自由地定義反饋系統(tǒng)的啟動和釋放時間。通過選擇快速啟動時間以及釋放延時和相對緩慢釋放的組合，可以顯著提高顯示器的性能。這種好處在要求快速改變亮度的場合特別明顯。在這種情況下，當屏幕從黑暗改變到全亮時，快速啟動時間可以消除可覺察的亮度瑕疵。模擬解決方案(見圖8)是在很短的暗幀期間逐漸調節(jié)LED輸出的，因此下一個亮幀達到全亮會有個可見的延遲。

這個現(xiàn)象會讓電視觀眾分心，因為電影和其它視頻內容的幀與幀之間有很大的動態(tài)范圍。這種瑕疵可以用數(shù)字調節(jié)電路來消除，方法是在釋放操作中插入幾百毫秒的延時。這樣，當亮幀被一系列短的暗幀中斷時，第2個亮幀將從全亮時開始，因為驅動器會自動延遲電壓下降過程。AMS產品中就使用了能夠實現(xiàn)釋放延遲的數(shù)字反饋算法。

LED驅動器IC中集成的另外一個有用功能是快速串行外設接口(SPI)。在直接背照電視機中，LED被安排在大量相對短的串中，因此小尺寸的顯示屏可以通過調暗光線達到節(jié)能的效果。通常這種安排在16x16的場矩陣中包含256個通道，每個通道可以通過脈寬調制(PWM)單獨配置。但利用可變PWM寬度和延時產生256個PWM信號是一個極耗處理器資源的任務，即使是最快的微控制器也會不堪重負。

因此這些背光照明系統(tǒng)都是使用集成在LED驅動器IC中的PWM發(fā)生器，這樣就可以通過簡單的SPI數(shù)據(jù)傳輸來配置亮度。在具有多個驅動器IC的架構中(如每個IC有16個通道，總共16個IC有256個通道)，LED通道可以通過建立SPI信號菊花鏈并將VSYNC幀中使用的數(shù)據(jù)傳輸?shù)角耙粠M行配置。

在這種方案中，通過SPI的數(shù)據(jù)傳輸速度可以達到20Mb/s，或在400Hz幀速率時達到50kb/幀。這個速度足夠快到以同步實際幀的速度改變每個場的調光效果。因此只需很少的微控制器開銷就可以實現(xiàn)理想的局部調光功能。

邊緣照明系統(tǒng)的智能調光功能

這種局部調光技術只能用在直接背照系統(tǒng)中，不過在邊緣照明系統(tǒng)中也可以實現(xiàn)一些特定的智能調光技術。尤其是PWM調光，它能在不改變白色LED的色溫條件下改變亮度。與讓邊緣照明LED永久設為一個特定的亮度值不同，這時的亮度可以通過改變脈沖寬度來動態(tài)改變。

還有一種節(jié)能技術叫動態(tài)亮度調節(jié)(DLS)。采用這種技術后，LCD的白色/亮度值可以在某些場合增加，從而允許降低背光LED的功率輸出。

使用環(huán)境光線傳感器(ALS)是另外一種降低功耗的方法。如果放置電視機的室內光線相當暗，可以減小背光燈亮度(見圖9)

圖9：使用智能LED驅動器和智能ALS傳感器的節(jié)能方法。

電視機制造商正在研究更為復雜的方法。舉例來說，照相機開始進入顯示器設計中，它能讓消費者在電視機上使用視頻電話服務，如Skype。這些照相機還可以用來檢測是否確實有人在看電視。如果電視機開著，但房間里沒人，可以自動將背光燈降低到最低亮度。

甚至還可以實現(xiàn)定制的能耗模式。雖然你可能喜歡在降低背光照明亮度的能源友好生態(tài)模式下觀看電視，但家里的其它成員可能喜歡高亮觀看。

總之，通過實現(xiàn)目前先進的高效LED驅動技術可以達到顯著的節(jié)能效果。由于更加嚴格的法規(guī)在不斷降低新款電視機允許消耗的最大功率，這種技術的重要性將越來越突出。