應(yīng)用新LED驅(qū)動(dòng)技術(shù)減低LCD電視用電量

 根據(jù)超高效設(shè)備和器具部署計(jì)劃(Super-efficient Equipment and Appliance Deployment，SEAD)，全球家庭耗電量當(dāng)中有3～8%是由電視產(chǎn)生的。幸而，勞倫斯柏克萊國(guó)家實(shí)驗(yàn)室 (Lawrence Berkeley National Laboratory)的一項(xiàng)分析報(bào)告指出，技術(shù)改進(jìn)，如更具效率的LED驅(qū)動(dòng)，將在未來的日子大幅減低電視機(jī)的用電量。

毫無疑問，使用LED背光的LCD技術(shù)是唯一可行的方法，有助于廠商達(dá)到政府要求的能源效益目標(biāo)。等離子電視的缺點(diǎn)在于每個(gè)像素都是活躍的光發(fā)射體，能耗直接取決于像素?cái)?shù)量的多少，兩者成正比關(guān)系。在相同分辨率和亮度下，高清等離子電視的平均能耗是LCD液晶顯示器的2至3倍。近期有報(bào)導(dǎo)指出，備受吹捧的OLED技術(shù)也許未能如愿在短期內(nèi)上市。事實(shí)上，這種大屏幕技術(shù)要求大量的投資，使市場(chǎng)卻步。另一方面，若大型顯示屏幕采用目前先進(jìn)的TFT-LCD技術(shù)，以及配備局部調(diào)光功能的智能型LED背光技術(shù)，能耗和畫面質(zhì)量堪與OLED技術(shù)相提并論，但成本卻要低得多。

然而，現(xiàn)在的LCD電視即使采用了LED背光技術(shù)，仍難以符合未來幾年的能耗目標(biāo)。不過新的LED驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)技術(shù)可保證顯著的節(jié)能效果，大大有助于電視制造商滿足嚴(yán)格的功耗要求。

不斷變化的電視能耗標(biāo)準(zhǔn)

“能源之星”等電視能耗標(biāo)準(zhǔn)早于2008年面世，且每年都進(jìn)一步降低電視的用電量限制。隨著新標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定任何尺寸的屏幕最多也只能耗用85W，大尺寸屏幕電須面對(duì)更為嚴(yán)苛的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。

“能源之星”這項(xiàng)廠商自發(fā)跟從的標(biāo)準(zhǔn)極具影響力，但并不是唯一的規(guī)范。例如，美國(guó)加州的能源委員會(huì)便發(fā)布了自己的標(biāo)準(zhǔn)，要求不但比“能源之星”更高，甚至禁止未達(dá)到相關(guān)能源效益標(biāo)準(zhǔn)的電視在加州銷售。在歐洲，多年前已有歐盟能源卷標(biāo)法例，方便用戶直接比較不同家庭電器的能耗，以作為選購的憑據(jù)。有關(guān)法例目前已對(duì)電視、洗衣機(jī)、干衣機(jī)，以及汽車和車胎強(qiáng)制執(zhí)行。

LED背光的操作

LED背光燈的能源會(huì)耗掉LCD電視電源系統(tǒng)的30%到70%電力。因此，背光燈電源電路的效率改善能大大提升整個(gè)系統(tǒng)的能源效率。與很多電源系統(tǒng)的慣常設(shè)計(jì)一樣，許多小的能耗改善結(jié)合在一起，就可以大幅節(jié)省能源消耗。

實(shí)施LED背光照明有兩種方法(如圖1)。在間接或側(cè)光式背光照明中，LED被安置在屏幕邊緣，由導(dǎo)光板在屏幕上產(chǎn)生均勻的光線。這種設(shè)計(jì)能夠在最大60吋的電視顯示屏上提供非常好的光學(xué)均勻性，且背光燈單元的厚度僅為5至10mm。

在直光式照明系統(tǒng)中，LED燈直接布置在LCD背后，實(shí)現(xiàn)低能耗、高散熱的設(shè)計(jì)，并帶來卓越的擴(kuò)展性，原則上對(duì)屏幕尺寸也沒有限制。這種面板較側(cè)光式照明方案厚一些，但若使用最新的配光技術(shù)，顯示屏的厚度亦可以只有8mm。直光式照明的重要優(yōu)點(diǎn)在于它能實(shí)現(xiàn)精確的局部調(diào)光，從而降低能耗及提高動(dòng)態(tài)對(duì)比度，使最新的電視設(shè)計(jì)質(zhì)量可媲美OLED產(chǎn)品。

圖1 LCD電視有兩種LED背光照明設(shè)計(jì)選擇

LED背光照明系統(tǒng)架構(gòu)選擇

適當(dāng)?shù)腖ED背光驅(qū)動(dòng)器系統(tǒng)架構(gòu)能發(fā)揮最大的節(jié)能潛力，還可顯著提升畫面質(zhì)量。同時(shí)，設(shè)計(jì)人員也追求局部控制LED燈串與最低物料清單(BOM) 成本之間的最佳平衡。

單串聯(lián)和單DC-DC轉(zhuǎn)換器

開關(guān)模式電源(SMPS)用來為串聯(lián)的背光燈LED燈組提供電壓。設(shè)計(jì)包含了電流源以調(diào)節(jié)通過LED燈串的電流。為了把功率損耗降到最低，在ILED源的電壓需要比額定電壓稍微高一點(diǎn)，以確保LED接收到指定電流(見圖2) 。

圖2 單串聯(lián)單DC-DC轉(zhuǎn)換器背光燈系統(tǒng)架構(gòu)

通常采用的設(shè)計(jì)方法是在ILED 源與SMPS之間使用反饋回路，以調(diào)節(jié)SMPS的輸出電壓。這種反饋回路必須容許兩個(gè)LED之間的正向電壓(Vf)可以改變。白光LED的典型Vf約為3.2V，但每個(gè)LED的Vf 可以有多達(dá)±200mV的落差。因此，以一串有10個(gè)LED的燈串來說，VLE的總電壓介乎30V至34V。DC-DC轉(zhuǎn)換器所需的電壓為：VDC-DC = VLED + VSINK;VLED = n*Vf(LED)。其中，VSINK的電壓為0.5V，所以ILED源必須將VDC-DC穩(wěn)定在30.5V至34.5V之間，視乎實(shí)際的LED正向電壓。

多串行電路和多DC-DC轉(zhuǎn)換器

通常采用單串聯(lián)LED燈組并不足夠，因?yàn)殡S著串聯(lián)的LED數(shù)量增加，所需的輸出電壓也會(huì)增加。當(dāng)設(shè)計(jì)超過一定的VOUT/VIN電壓比率，SMPS的效率就會(huì)急劇下降。LED背光燈設(shè)計(jì)人員因此需要使用多個(gè)串行電路，從而避免SMPS的輸出電壓過高。

最簡(jiǎn)單的方法便是在每個(gè)串聯(lián)燈組復(fù)制單串聯(lián)單DC-DC轉(zhuǎn)換器拓?fù)?見圖3)。這樣做可以提高效率，因?yàn)槊總€(gè)串行電路的電壓是分開調(diào)節(jié)的。然而，每個(gè)串行電路都需要本身的DC-DC控制器、MOSFET、線圈、二極管和輸出電容，使高昂的成本成了這種設(shè)計(jì)的缺點(diǎn)。為了節(jié)省所需的物料成本，設(shè)計(jì)人員可以減少LED的通道數(shù)量，改為使用長(zhǎng)串聯(lián)設(shè)計(jì)把多個(gè)LED放在一起。但是，這就會(huì)影響系統(tǒng)的局部調(diào)光功能，而這卻是另一個(gè)重要的節(jié)能技術(shù)所在。因此，反復(fù)權(quán)衡，這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)不見特別有吸引力。

圖3 每個(gè)LED串行電路都包含獨(dú)立DC-DC轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)非常昂貴

采用單DC-DC轉(zhuǎn)換器的多串行電路

為了減少物料清單的成本，一種更徹底的方法是采用單DC-DC轉(zhuǎn)換器的多串行電路拓?fù)?見圖4)。該方法的缺點(diǎn)是SMPS電壓必須調(diào)節(jié)到略高于包含最高正向電壓的串聯(lián)LED電壓，換言之，工作電壓將會(huì)高于包含最低正向電壓的串聯(lián)LED額定電壓。這意味著ILED 源電流必須耗散燈串這些多余的電量，結(jié)果產(chǎn)生了必須從電路板中去除的熱量，也導(dǎo)致了功率效率的降低。

圖4 采用單個(gè)DC-DC轉(zhuǎn)換器服務(wù)多個(gè)LED串行電路，使SMPS電壓未被充分利用