驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)匹配LED背光方案以?xún)?yōu)化節(jié)能

標(biāo)簽：LED  照明  光源 驅(qū)動(dòng)器

能源之星認(rèn)證6.0方案獲得通過(guò)，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(lèi)電視耗能還接近200W。上述嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)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(dòng)器設(shè)計(jì)必須針對(duì)直下式( direct-backlit)和側(cè)光式(edge-backlit)背光方案進(jìn)行優(yōu)化。

液晶電視的液晶電視的主動(dòng)能耗有兩個(gè)組成部分：顯示功耗及基準(zhǔn)功耗。基準(zhǔn)功耗包括電視圖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(huì)影響基準(zhǔn)功耗、如幀率和電源效率等。對(duì)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(biāo)準(zhǔn)電視高50-100%。類(lèi)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(huì)增加功耗。然而，基準(zhǔn)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(huì)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(guò)光導(dǎo)、漫射器、光學(xué)薄膜以及色彩過(guò)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(jiàn)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(dāng)高亮度的光以滿(mǎn)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(jìn)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(fèi)了，因?yàn)楫?dāng)電視圖案較暗時(shí)CCFL燈管也很難將亮度合適地調(diào)暗。故而液晶電視很快過(guò)渡到采用LED背光。LED本身的特性就包括更小的功耗、快的開(kāi)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(huà)質(zhì)又可降低能耗。

LED背光照明方式

怎樣使LED背光以達(dá)到成本、效率和畫(huà)質(zhì)組合的最優(yōu)化，業(yè)界還有不同意見(jiàn)。不同的背光方式對(duì)電流和電壓特性要求大不相同，因此不同的背光方式對(duì)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)也有不同要求。三種常見(jiàn)LED背光方式的相對(duì)電流和電壓特性如圖l所示。

在側(cè)光式(Edge-lit)設(shè)計(jì)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(jì)方案。過(guò)去幾年在大屏幕的側(cè)光式背光中使用LED的畫(huà)質(zhì)被認(rèn)為還不如傳統(tǒng)CCFL背光。

表1、不同LED背光類(lèi)型的特性。

為了改進(jìn)畫(huà)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(qiáng)調(diào)針對(duì)屏幕局部區(qū)域的背光亮度調(diào)節(jié)。直下式背光設(shè)計(jì)將LED直接置于液晶面板背后。該設(shè)計(jì)能對(duì)小區(qū)域內(nèi)的LED進(jìn)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(chēng)為分段側(cè)光式設(shè)計(jì)是將LED置于屏幕的側(cè)邊，但仍然支持對(duì)橫向排列的各段LED單獨(dú)進(jìn)行亮度調(diào)節(jié)。直下式和混合式利用對(duì)背光亮度進(jìn)行局部調(diào)節(jié)，能顯著增強(qiáng)黑色的深度、畫(huà)質(zhì)均勻性和可視角，并減少運(yùn)動(dòng)模糊。表l總結(jié)了各種背光照明方式及其特性。

驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的要求與挑戰(zhàn)

不同背光謾計(jì)方案所要求的驅(qū)動(dòng)架構(gòu)也相當(dāng)不同。側(cè)光式的驅(qū)動(dòng)一般要求非常高的輸出電壓(幾百伏)以驅(qū)動(dòng)串聯(lián)的LED條組。其挑戰(zhàn)在于需要驅(qū)動(dòng)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(kāi)啟時(shí)始終保持所有的LED在點(diǎn)亮狀態(tài)，這無(wú)疑浪費(fèi)了大量的功耗。LED只能依靠其基準(zhǔn)效率優(yōu)勢(shì)來(lái)減少一點(diǎn)能耗。LED能被整體調(diào)暗，該技術(shù)也被稱(chēng)為整體亮度調(diào)節(jié)，但該種技術(shù)并不能提高畫(huà)質(zhì)。

側(cè)光式電視的驅(qū)動(dòng)需要高電壓、升壓拓?fù)湓O(shè)計(jì)。典型電視電源的電壓為12-14V，作為驅(qū)動(dòng)電路的輸入。驅(qū)動(dòng)電路會(huì)將電壓提升10-20倍，同時(shí)努力保持高效率。

驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)本身是一個(gè)分立的DC-DC設(shè)計(jì)，在某些情況下主電源能從交流輸入直接輸出一個(gè)高電平。對(duì)驅(qū)動(dòng)部分的效率要求達(dá)到90-95%左右。通常會(huì)將上百個(gè)LED串聯(lián)在一起。某些設(shè)計(jì)中會(huì)使用串并聯(lián)混合，以降低每串LED的電壓要求。

目前市場(chǎng)上絕大多數(shù)的LED背光電視采用基本的側(cè)光式設(shè)計(jì)。該種方式驅(qū)動(dòng)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(dòng)架構(gòu)。

直下式背光驅(qū)動(dòng)器

在直下式背光設(shè)計(jì)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(jìn)行分別控制。每個(gè)區(qū)域包含若干顆LED，可對(duì)其進(jìn)行局部控制。各個(gè)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(huà)質(zhì)要求及其他因素進(jìn)行選定。區(qū)域劃分的數(shù)量越多畫(huà)質(zhì)越高，但隨之也會(huì)增加LED和驅(qū)動(dòng)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(dòng)設(shè)計(jì)。

圖3.直下式及分段側(cè)光式LED背光的典型驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)。

圖3為典型直下式和分段側(cè)光式電視背光的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)。與側(cè)光式設(shè)計(jì)相比二者所要求的驅(qū)動(dòng)電壓低得多，高效驅(qū)動(dòng)的設(shè)計(jì)變得更加簡(jiǎn)單。直下式與分段側(cè)光式設(shè)計(jì)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(jì)驅(qū)動(dòng)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(dòng)器只能處理8-16個(gè)通道。因此一臺(tái)電視需要多個(gè)驅(qū)動(dòng)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(dòng)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(shì)。

LED具有不同的正向電壓(Vf)。即使經(jīng)過(guò)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(fèi)，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(dòng)器

直下式背光所需的LED和驅(qū)動(dòng)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(huà)質(zhì)并不是消費(fèi)者在購(gòu)買(mǎi)時(shí)考慮的唯一標(biāo)準(zhǔn)。很多情況下，更薄的外觀的是關(guān)鍵的賣(mài)點(diǎn)，分段側(cè)光式方案能使電視更薄。2011年涌現(xiàn)出了超過(guò)60種側(cè)光式背光電視，該數(shù)字在2012年還渴望快速增長(zhǎng)。

根據(jù)屏幕大小以及制造商對(duì)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(duì)較多的通道數(shù)量，直下式背光驅(qū)動(dòng)的挑戰(zhàn)這里同樣適用，只是程度相對(duì)較低。前面提到的熱相關(guān)問(wèn)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(dòng)IC技術(shù)能幫助我們克服上述的熱管理及成本問(wèn)題。例如iWatt開(kāi)發(fā)出了一種自適應(yīng)式的切換技術(shù)，它將檢測(cè)檢測(cè)各組LED的正向電壓Vf，一旦出現(xiàn)失配就將自動(dòng)對(duì)各個(gè)LED通道進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)節(jié)，從而減少90%的功率浪費(fèi)。該技術(shù)還能減少設(shè)備產(chǎn)生的熱，并使驅(qū)動(dòng)器通過(guò)集成MOSFET來(lái)管理更多的通道。例如，1W7032驅(qū)動(dòng)IC能處理32個(gè)并聯(lián)的LED條串。

LED驅(qū)動(dòng)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(dāng)然功不可沒(méi)。驅(qū)動(dòng)方式以及相關(guān)的背光構(gòu)架籽會(huì)隨著液晶顯示技術(shù)和電視的創(chuàng)新攜手前進(jìn)。

由于其能最好地滿(mǎn)足消費(fèi)者對(duì)于高畫(huà)質(zhì)和低成本的要求，分段側(cè)光式設(shè)計(jì)逐漸成為了背光單元設(shè)計(jì)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(fèi)需求，促使直下式背光液晶電視需求的不斷增長(zhǎng)。直下式背光的新進(jìn)展，例如多區(qū)域面積的大小、更少的分區(qū)，以及超級(jí)選擇性電流控制等，將挑戰(zhàn)傳統(tǒng)驅(qū)動(dòng)的實(shí)現(xiàn)方式并進(jìn)一步降低成本。