利用200V SOI工藝有效降低LED TV背光方案成本

CCFL和LED是當(dāng)前LCD僅有的兩種背光源，CCFL是傳統(tǒng)的背光方式，而LED作為L(zhǎng)CD背光的后起之秀，正在迅速搶占LCD背光市場(chǎng)。

電視機(jī)廠商和面板廠商之所以積極推動(dòng)LED背光液晶電視，原因在于全球各國(guó)的耗電量規(guī)定以及其環(huán)保因素（不含汞等重金屬），再加上其輕、巧、薄等特點(diǎn)。LED作為電視背光關(guān)注度大幅提升，同時(shí)大大改善了LCD的性能，不少?gòu)S家甚至直接稱使用LED背光的LCD電視為“LED電視”，可見(jiàn)LED在顯示領(lǐng)域發(fā)揮著相當(dāng)重要的作用。現(xiàn)在LED背光已被提到了一個(gè)相當(dāng)重要的高度，因?yàn)樗枪?jié)能降耗的關(guān)鍵，也是提升清晰度的關(guān)鍵，同時(shí)也因其價(jià)值不菲成為控制成本的關(guān)鍵。CCFL大勢(shì)已去，LED背光迅猛的增長(zhǎng)速度已無(wú)可阻擋。

LED取代CCFL勢(shì)如破竹，發(fā)展速度超乎人們的預(yù)想。DisplaySearch的調(diào)研結(jié)果顯示，2010年全球使用LED背光的液晶電視機(jī)達(dá)三千七百萬(wàn)臺(tái)，約占LCD電視市場(chǎng)的20%份額。這個(gè)預(yù)測(cè)大大超過(guò)了之前的估計(jì)，以至于引起部分原材料短缺，比如導(dǎo)光板及其生產(chǎn)材料樹(shù)脂、光學(xué)板、半導(dǎo)體和電源用變壓器等部件的供應(yīng)緊缺，否則2010年的LED電視市場(chǎng)規(guī)模還會(huì)更大。即便如此，2010年的LED液晶電視仍是2009年的10倍以上。

液晶電視的LED背光模式

液晶面板中LED背光的設(shè)置方式，主要有兩種：側(cè)投式和直投式。人們普遍認(rèn)為直投式LED背光電視的畫(huà)面感更強(qiáng)。在直投式電視里，要用到數(shù)千個(gè)LED作為背光并被均勻地排列在整個(gè)顯示屏的背后。它們?cè)诿髁恋膱D像區(qū)域發(fā)出更強(qiáng)的光亮，并且在暗色彩區(qū)完全變暗，節(jié)約能源并最大限度提升圖像對(duì)比度，在圖片上產(chǎn)生強(qiáng)烈的對(duì)比效果，色彩分明。這種方案的不足之處在于：使用大量LED燈的同時(shí)還需要更多符合要求的LED驅(qū)動(dòng)芯片，因此造成直投背光模式成本很高。鑒于該方案的高成本和高復(fù)雜度，如今的直投背光模式只應(yīng)用在高端LED電視方面。

另一種更常用的背光方式是側(cè)投式。側(cè)投式背光是將燈沿著液晶面板四周邊緣排列，與導(dǎo)光板結(jié)合均勻地將光線照射在整個(gè)面板上。由于側(cè)投式顯示所需要單獨(dú)控制的LED數(shù)量、組數(shù)比直投式少，所以在構(gòu)建LED驅(qū)動(dòng)方式時(shí)更有靈活性；無(wú)論高/低電壓均可使用，使得系統(tǒng)工程師能夠?qū)Ｗ⒂谛阅芎涂尚行苑桨傅某杀痉矫妗Ｓ捎诰哂谐杀镜?、性能?yōu)異以及機(jī)身較薄的優(yōu)勢(shì)，目前側(cè)投式LED背光已占據(jù)了市場(chǎng)主導(dǎo)地位。表1簡(jiǎn)單總結(jié)了這兩種背光模式的差異和優(yōu)缺點(diǎn)。

200V SOI工藝技術(shù)

工程師選擇LED背光驅(qū)動(dòng)芯片時(shí)，會(huì)發(fā)現(xiàn)市場(chǎng)上已經(jīng)有眾多的供應(yīng)商，但絕大多數(shù)供應(yīng)商的產(chǎn)品都集中在40V～60V電壓等級(jí)范圍內(nèi)，其原因在于40V的半導(dǎo)體工藝門(mén)檻比較低。這給OEM設(shè)計(jì)師在對(duì)系統(tǒng)構(gòu)架選擇時(shí)帶來(lái)重大影響。使用40V的LED驅(qū)動(dòng)芯片可以有兩個(gè)主要的設(shè)計(jì)方案：1）每路串聯(lián)不超過(guò)10顆燈；2）一些設(shè)計(jì)方案中串聯(lián)10顆燈以上。通常情況下，后一種方案會(huì)犧牲一定的可靠性，包括在故障條件下的保護(hù)功能，諸如發(fā)光二極管LED內(nèi)部短路故障或過(guò)電壓擊穿，所以那些對(duì)可靠性和品質(zhì)要求都很高的液晶電視廠家并不接受這種方案。

為有效降低LED TV背光驅(qū)動(dòng)方案的成本，芯凱電子科技有限公司(Kinetic Technologies)針對(duì) LED背光和照明開(kāi)發(fā)了全新的200V的SOI晶圓技術(shù)。與CMOS或BiCMOS工藝相比，SOI降低了寄生電容從而可以允許更高的速度和更低的功耗，同時(shí)也降低了噪音，沒(méi)有閉鎖問(wèn)題。同時(shí)SOI在制造流程上與現(xiàn)有的CMOS工藝兼容，因此生產(chǎn)成本得到有效的控制。

圖1 40V LED驅(qū)動(dòng)方案和200V LED驅(qū)動(dòng)方案的背光結(jié)構(gòu)

圖2 高壓 SOI和高壓BCD工藝的比較

芯凱電子的200V SOI器件是制作于薄硅層上的二氧化硅（SiO2）絕緣層；其200V SOI工藝的晶體管器件被掩埋的氧化絕緣層和溝道隔離層所環(huán)繞。因?yàn)榻^緣層將NMOS井和PMOS井隔離開(kāi)，從而避免了常見(jiàn)的高壓閉鎖問(wèn)題。同樣，掩埋的氧化絕緣層作為介質(zhì)阻擋，防止基板漏電，并減少基板噪聲。

將典型的高電壓BCDMOS和芯凱的200V SOI對(duì)比可發(fā)現(xiàn)，用于高電壓BCDMOS芯片需要很厚的保護(hù)環(huán)，這會(huì)使其芯片面積增加，達(dá)到芯凱同等電壓SOI芯片面積的三倍以上，如圖２所示。一個(gè)直觀的例子是，通常BCDMOS工藝?yán)锏腖DMOS間的間距需要18um，而 SOI只有1.4um。

SOI工藝的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是可以與低電壓器件兼容保存而沒(méi)有明顯的成本和大小差距。相反地，典型的BCDMOS工藝由于需要與低壓元件有很大間距，因而使得高低壓兼容的芯片成本大幅提高。當(dāng)然SOI襯底材料成本相較于一般的CMOS或BCDMOS硅片更高，這無(wú)疑將被視為劣勢(shì)。然而，SOI里元件實(shí)現(xiàn)以及單芯片中高/低壓元件的有機(jī)結(jié)合，相比于典型的高壓柵極隔離工藝，SOI芯片會(huì)更小，因此SOI芯片的成本反而相當(dāng)合理。

基于200V SOI工藝的LED驅(qū)動(dòng)方案

根據(jù)LED驅(qū)動(dòng)芯片的電壓等級(jí)和背光的要求，LED背光架構(gòu)可分為少路多串聯(lián)和多路少串聯(lián)兩種。從電器特性來(lái)講，系統(tǒng)設(shè)計(jì)者可以選擇一路串聯(lián)很多個(gè)LED或者一串很少LED的結(jié)構(gòu)。

作為一個(gè)極端的例子，如果一個(gè)電視機(jī)里全部背光LED都串聯(lián)在一起，那就只需要一個(gè)單路的LED驅(qū)動(dòng)芯片，LED的亮度會(huì)完美匹配。但是通常一個(gè)普通尺寸的液晶電視需要上百顆乃至數(shù)百上千的LED，驅(qū)動(dòng)這樣一串LED所需的驅(qū)動(dòng)電壓將達(dá)數(shù)百伏（>300V）甚至上千伏，這對(duì)家用電器的安全性和效率是一個(gè)很大的挑戰(zhàn)。另外，該方式無(wú)法對(duì)不同的LED進(jìn)行調(diào)光，因此只能用于側(cè)投式的驅(qū)動(dòng)架構(gòu)。

相應(yīng)地，也可以采用很多通道但每個(gè)通道只有很少的LED串聯(lián)的方式，比如說(shuō)，每路僅有十顆或更少LED串聯(lián)。這樣，同樣一個(gè)電視背光方案就需要幾十路甚至上百路的LED通道，需要可支持很多路LED驅(qū)動(dòng)的芯片或芯片組，這樣以來(lái)，芯片成本的增加在所難免。當(dāng)然，這種方式的好處是芯片選擇余地比較廣，設(shè)計(jì)安規(guī)達(dá)標(biāo)不難。也有人認(rèn)為，采用這種方式應(yīng)該在功率轉(zhuǎn)換效率上有些優(yōu)勢(shì)。但實(shí)際上由于LED的正向電壓降都不一致，有時(shí)在任意兩顆燈之間可能會(huì)有10%左右的電壓差別，用一顆驅(qū)動(dòng)芯片去驅(qū)動(dòng)很多路LED不一定在工作效率上會(huì)占有優(yōu)勢(shì)。

總體來(lái)講，這個(gè)控制架構(gòu)會(huì)比前一種方式的系統(tǒng)成本高。不過(guò)，如果是直投式的話，因?yàn)辄c(diǎn)陣調(diào)光的需要，就必需使用很多路的LED通道，因而只能使用相對(duì)低壓的多路LED驅(qū)動(dòng)芯片。從實(shí)際應(yīng)用而言，為了成本和安規(guī)的緣故，更多的時(shí)候是使用折中方案，即幾路、每路幾十顆LED燈的控制方式。芯凱電子新近自主研發(fā)的LED驅(qū)動(dòng)芯片KTD360，在這些方面取得了突破。

KTD360是一顆高達(dá)200V的LED驅(qū)動(dòng)芯片，可同時(shí)驅(qū)動(dòng)６路并聯(lián)、每路60顆LED串聯(lián)、每顆LED電流可達(dá)150毫安。之所以選用200伏的SOI工藝，是因?yàn)楹芏嘞到y(tǒng)廠商可以提高200V以下的高壓電源，也可以順利通過(guò)電視等安規(guī)的要求，從而在不犧牲效率的前提下大幅節(jié)省驅(qū)動(dòng)成本。

表2將芯凱200V驅(qū)動(dòng)芯片與市場(chǎng)上常見(jiàn)的40V驅(qū)動(dòng)芯片的成本進(jìn)行了比較。從比較可見(jiàn)，200V的LED驅(qū)動(dòng)芯片不僅可以大幅降低成本，還能減少驅(qū)動(dòng)電路板的面積并簡(jiǎn)化版圖布線。

除了降低成本和簡(jiǎn)化布線，KTD360還集成了一個(gè)與提供高壓驅(qū)動(dòng)電源互動(dòng)的反饋信號(hào)（FBO）來(lái)有效調(diào)節(jié)電壓，使得驅(qū)動(dòng)電源電壓接近負(fù)載LED 的正向壓降，從而保證90%以上的效率。如圖3所示的37英寸電視背光方案，一顆KTD360可以驅(qū)動(dòng)42x6 = 252顆（150mA）LED。其中驅(qū)動(dòng)LED的高壓電源由KTC351升壓電源提供，但KTD360可以與其它任何一種帶有反饋接口的電源有效配合來(lái)驅(qū)動(dòng)LED背光模組。

圖3　基于KTD360的37英寸電視背光范例

這個(gè)案例每路驅(qū)動(dòng)42顆功率LED 總共達(dá)900mA的LED的驅(qū)動(dòng)電流。由于KTD360的智能反饋設(shè)計(jì)，整個(gè)驅(qū)動(dòng)及電源系統(tǒng)包括KTD360 驅(qū)動(dòng)電路、 KTC351升壓電路及所以得外圍元器件的總體效率在整個(gè)工作范圍（每路50mA到150mA）內(nèi)都在90%以上，并在每路130mA（總共780mA)電流附近接近96%的高效率。如此的高效率是很多低壓方案都難以達(dá)到的。

圖4　KTD360+KTD351驅(qū)動(dòng)方案的效率與每路LED電流（共6路）的關(guān)系。

本文小結(jié)

LED電視將會(huì)隨著廠家新品牌的不斷推出而進(jìn)一步高速發(fā)展，新的系統(tǒng)架構(gòu)和元器件也將隨之大批涌現(xiàn)，電視廠家因此會(huì)有更多的選擇空間。但是由于市場(chǎng)價(jià)格的不斷降低，電視廠家的成本壓力也會(huì)變得越來(lái)越大。LED背光架構(gòu)和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的選擇將會(huì)對(duì)電視的最終成本和品質(zhì)產(chǎn)生巨大影響。與40V~60V的驅(qū)動(dòng)芯片相比，使用100V到200V范圍的驅(qū)動(dòng)芯片將會(huì)有效地降低LED驅(qū)動(dòng)成本。

表1 側(cè)投式與直投式背光的優(yōu)劣對(duì)比

表2　40V驅(qū)動(dòng)芯片和200V驅(qū)動(dòng)芯片的比較.