驅(qū)動設(shè)計匹配LED背光方案以優(yōu)化節(jié)能
能源之星認證6.0方案獲得通過，它將要求所有2012年秋季前大于50英寸的電視的能耗必須不高于85W。兩年前，此類電視耗能還接近200W。上述嚴格的標準旨在全球范圍減少能源消耗，已經(jīng)在液晶電視領(lǐng)域引發(fā)了顯著了創(chuàng)新，特別是電視中的主要耗能部件一一背光照明單元(Backlight Unit，BLU)?；贚ED的背光單元能顯著降低能耗，但驅(qū)動器設(shè)計必須針對直下式( direct-backlit)和側(cè)光式(edge-backlit)背光方案進行優(yōu)化。
液晶電視的液晶電視的主動能耗有兩個組成部分：顯示功耗及基準功耗?；鶞使陌娨晥D像的處理及主電源等，
約為總功耗的三分之一。各種器件和不同的使用設(shè)置會影響基準功耗、如幀率和電源效率等。對3D電視而言，額外的圖像處理工作、更高的刷新率以及更高的亮度使其功耗相比標準電視高50-100%。類似地，智能網(wǎng)絡(luò)電視要求更高性能的處理器、更多的內(nèi)存及其他器件也會增加功耗。然而，基準功耗的增加也只占電視總功耗的一小部分。
顯示功耗指的是液晶屏幕、背光單元以及相關(guān)電路所消耗的功率，占到電視總功耗的約三分之二。因此業(yè)界很自然地會關(guān)注于降低該部分的能耗。
顯示功耗較高的原因主要在于液晶電視的光效率太差。液晶面板的透光率極低，只有約4-6%，從背光單元發(fā)出的光需要穿過光導(dǎo)、漫射器、光學薄膜以及色彩過濾器等。例如，假如背光單元產(chǎn)生光的亮度為8000-10000 cd/m’，最終人眼可見的光輸出通常只有約380-450 cd/m2。
因此背光單元必須產(chǎn)生相當高亮度的光以滿足要求，于是消耗了液晶電視中最大部分的功率。背光單元效能方面的任何改進都能使液晶電視的能耗大幅降低。
圖l、不同LED背光單元的特性。
幾年前冷陰極熒光燈(CCFL)背光還是液晶電視中最大的能耗部件。CCFL背光所消耗的大部分功率都被浪費了，因為當電視圖案較暗時CCFL燈管也很難將亮度合適地調(diào)暗。故而液晶電視很快過渡到采用LED背光。LED本身的特性就包括更小的功耗、快的開夫切換速度。上述特性使LED成為CCFL理想的替代，良好的亮度調(diào)節(jié)既能改善電視畫質(zhì)又可降低能耗。
LED背光照明方式
怎樣使LED背光以達到成本、效率和畫質(zhì)組合的最優(yōu)化，業(yè)界還有不同意見。不同的背光方式對電流和電壓特性要求大不相同，因此不同的背光方式對驅(qū)動系統(tǒng)也有不同要求。三種常見LED背光方式的相對電流和電壓特性如圖l所示。
在側(cè)光式(Edge-lit)設(shè)計中，條狀LED燈組被置于屏幕的兩側(cè)或四周邊緣處。側(cè)光式背光是筆記本電腦屏幕和液晶電視最早的背光設(shè)計方案。過去幾年在大屏幕的側(cè)光式背光中使用LED的畫質(zhì)被認為還不如傳統(tǒng)CCFL背光。
表1、不同LED背光類型的特性。
為了改進畫質(zhì)及充分發(fā)揮LED快速切換的能力，出現(xiàn)了另外兩種背光方案，著重強調(diào)針對屏幕局部區(qū)域的背光亮度調(diào)節(jié)。直下式背光設(shè)計將LED直接置于液晶面板背后。該設(shè)計能對小區(qū)域內(nèi)的LED進行亮度調(diào)節(jié)，具有較小的粒度?；旌蟼?cè)光式(Hybrid Edge-lit)，也被稱為分段側(cè)光式設(shè)計是將LED置于屏幕的側(cè)邊，但仍然支持對橫向排列的各段LED單獨進行亮度調(diào)節(jié)。直下式和混合式利用對背光亮度進行局部調(diào)節(jié)，能顯著增強黑色的深度、畫質(zhì)均勻性和可視角，并減少運動模糊。表l總結(jié)了各種背光照明方式及其特性。
驅(qū)動系統(tǒng)的要求與挑戰(zhàn)
不同背光謾計方案所要求的驅(qū)動架構(gòu)也相當不同。側(cè)光式的驅(qū)動一般要求非常高的輸出電壓(幾百伏)以驅(qū)動串聯(lián)的LED條組。其挑戰(zhàn)在于需要驅(qū)動多條互相之間并聯(lián)的LED條組，并匹配電流和正向電壓。然而這種背光方式在電視開啟時始終保持所有的LED在點亮狀態(tài)，這無疑浪費了大量的功耗。LED只能依靠其基準效率優(yōu)勢來減少一點能耗。LED能被整體調(diào)暗，該技術(shù)也被稱為整體亮度調(diào)節(jié)，但該種技術(shù)并不能提高畫質(zhì)。
側(cè)光式電視的驅(qū)動需要高電壓、升壓拓撲設(shè)計。典型電視電源的電壓為12-14V，作為驅(qū)動電路的輸入。驅(qū)動電路會將電壓提升10-20倍，同時努力保持高效率。
驅(qū)動系統(tǒng)本身是一個分立的DC-DC設(shè)計，在某些情況下主電源能從交流輸入直接輸出一個高電平。對驅(qū)動部分的效率要求達到90-95%左右。通常會將上百個LED串聯(lián)在一起。某些設(shè)計中會使用串并聯(lián)混合，以降低每串LED的電壓要求。
目前市場上絕大多數(shù)的LED背光電視采用基本的側(cè)光式設(shè)計。該種方式驅(qū)動的關(guān)鍵挑戰(zhàn)是在高電壓下保持高效率，并盡量減少使用器件的數(shù)量。圖2顯示了側(cè)光背光式電視的典型驅(qū)動架構(gòu)。
直下式背光驅(qū)動器
在直下式背光設(shè)計中，LED直接位于LCD液晶面板的背后，并劃分成面積較小的區(qū)域進行分別控制。每個區(qū)域包含若干顆LED，可對其進行局部控制。各個區(qū)域的排列方式和LED數(shù)量由制造商根據(jù)屏幕的尺寸、畫質(zhì)要求及其他因素進行選定。區(qū)域劃分的數(shù)量越多畫質(zhì)越高，但隨之也會增加LED和驅(qū)動系統(tǒng)器件的數(shù)量，并相應(yīng)的增加成本。
圖2典型側(cè)光式背光的驅(qū)動設(shè)計。
圖3.直下式及分段側(cè)光式LED背光的典型驅(qū)動設(shè)計。
圖3為典型直下式和分段側(cè)光式電視背光的驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計。與側(cè)光式設(shè)計相比二者所要求的驅(qū)動電壓低得多，高效驅(qū)動的設(shè)計變得更加簡單。直下式與分段側(cè)光式設(shè)計相比LED串的數(shù)量多得多，但每串中LED的數(shù)量較少。
直下式背光設(shè)計驅(qū)動的主要挑戰(zhàn)是數(shù)量。采用該種技術(shù)的電視可含有超多100串LED。而典型的驅(qū)動器只能處理8-16個通道。因此一臺電視需要多個驅(qū)動器。
典型的直下式背光電視中。LED占到背光單元材料成本的約40%，而驅(qū)動只占到約20%。LED的成本、功率、以及系統(tǒng)復(fù)雜度都是這種方式的劣勢。
LED具有不同的正向電壓(Vf)。即使經(jīng)過分揀，眾多串LED間正向電壓的顯著區(qū)別導(dǎo)致電視中大量功率被浪費，產(chǎn)生了多余的熱量，并增加了LED與熱應(yīng)力相關(guān)的失效幾率。
分段側(cè)光式背先驅(qū)動器
直下式背光所需的LED和驅(qū)動器件數(shù)量及其成本，促使更多廠商選擇分段側(cè)光式方法。畫質(zhì)并不是消費者在購買時考慮的唯一標準。很多情況下，更薄的外觀的是關(guān)鍵的賣點，分段側(cè)光式方案能使電視更薄。2011年涌現(xiàn)出了超過60種側(cè)光式背光電視，該數(shù)字在2012年還渴望快速增長。
根據(jù)屏幕大小以及制造商對于分段數(shù)的要求，采用分段側(cè)光式背光的電視需要12-48通道的LED。鑒于相對較多的通道數(shù)量，直下式背光驅(qū)動的挑戰(zhàn)這里同樣適用，只是程度相對較低。前面提到的熱相關(guān)問題依然存在，迫使電視制造商采用若干額外的分立器件，也顯著增加了成本。
不斷提高的驅(qū)動IC技術(shù)能幫助我們克服上述的熱管理及成本問題。例如iWatt開發(fā)出了一種自適應(yīng)式的切換技術(shù)，它將檢測檢測各組LED的正向電壓Vf，一旦出現(xiàn)失配就將自動對各個LED通道進行適當?shù)恼{(diào)節(jié)，從而減少90%的功率浪費。該技術(shù)還能減少設(shè)備產(chǎn)生的熱，并使驅(qū)動器通過集成MOSFET來管理更多的通道。例如，1W7032驅(qū)動IC能處理32個并聯(lián)的LED條串。
LED驅(qū)動IC成為了LED背光電視能被廣泛采用的關(guān)鍵技術(shù)，LED本身巨大的節(jié)能潛力當然功不可沒。驅(qū)動方式以及相關(guān)的背光構(gòu)架籽會隨著液晶顯示技術(shù)和電視的創(chuàng)新攜手前進。
由于其能最好地滿足消費者對于高畫質(zhì)和低成本的要求，分段側(cè)光式設(shè)計逐漸成為了背光單元設(shè)計架構(gòu)的最佳選擇。但仍然有能接受高能耗成本支出并追求更佳視頻質(zhì)量的消費需求，促使直下式背光液晶電視需求的不斷增長。直下式背光的新進展，例如多區(qū)域面積的大小、更少的分區(qū)，以及超級選擇性電流控制等，將挑戰(zhàn)傳統(tǒng)驅(qū)動的實現(xiàn)方式并進一步降低成本。
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