強化LED背光應用效能　時間延遲滯后式電流控制技術問世

液晶顯示器(LCD)的背光板對電力消耗、影像畫質以及面板壽命都有相當大的影響，雖然發(fā)光二極管(LED)背光數(shù)組已經在這些方面有所改善，但若需要穩(wěn)定的光度輸出、均衡色彩，以及更佳散熱等傳統(tǒng)限流電阻無法達到的功能，就須導入強化的LED電流控制技術。本文提出一種“時間延遲滯后式電流控制(Time Delay Hysteretic Current Control)”的新技術，同時具備精確與高彈性，并能夠以單一芯片實現(xiàn)高達5瓦(W)與1.5安培(A)的LED控制。

平面顯示器在許多情況下須要支持多重運作模式 、數(shù)據(jù)顯示、高分辨率圖像、全動態(tài)視頻或高畫質影像等，最近由Lumileds所提出的分析報告指出，不同的模式需要不同的背光特性來提供最佳的影像畫質，例如當執(zhí)行個人計算機Windows應用程序時，背光的最佳色溫大約在9,600K，而播放電影時則最好采用大約在6,500K范圍的色溫燈光，相對于傳統(tǒng)的冷陰極燈管(CCFL)，采用LED數(shù)組可以更容易地進行背光特性的控制以及最佳化，除此之外，LED也帶來更低的耗電、發(fā)熱以及更長的壽命，同時由于不須使用變頻器，更可簡化電路設計并降低噪聲。

LCD面板所采用的LED背光透過使用紅、綠與藍光LED高效率地耦合到導光板上來產生白色背光，調整各個不同顏色的輸出可以讓設計工程師精確控制背光的特性，帶來更豐富的色彩輸出并取得色溫、波長與發(fā)光的更佳控制，更可以利用這個彈性提供更生動的顯示輸出來強化使用體驗。

高亮度LED背光的電源要求

由于每顆LED所發(fā)出的亮度以及色彩直接與流經LED本身的電流相關，因此要發(fā)揮LED背光的完整優(yōu)勢，就須要進行電流的精密控制，然而，這對傳統(tǒng)使用限流電阻的方式來說，不容易達成，特別是背光應用中所使用的高亮度LED在正向壓降上有很大的差異，例如Lumileds公司Luxeon III的數(shù)據(jù)規(guī)格書上顯示，額定為3.70伏特(V)的正向電壓可能會在3.03～4.47伏特間變化，此外溫度也會造成影響，例如相同產品的正向電壓溫度系數(shù)為-2mV/℃。

當考慮采用Luxeon DCC數(shù)組做為LCD背光應用的情況下，每個數(shù)組由1或多串以各自顏色串接的Luxeon LED所組成，其中一個型號為LXHL MGEA的產品就是由兩串以5顆紅光LED、兩串以及11顆綠光LED及兩串以4顆藍光LED的組合所組成。電源的要求以能夠提供紅、綠與藍光LED串各個獨立通道定電流，并且能夠調整到最佳光度輸出特性，同時滿足各LED串最大正向電壓規(guī)格要求為目標，以LXHL MGEA數(shù)組中的綠色LED串為例，這代表總線電壓(VBus)要求最小要有40.5伏特加上安全的富?？臻g。

如果這類LED串的電流只透過一顆電阻來控制，那么在生產時正向電壓的差異以及因溫度所引起的變化將對運作效率帶來影響，甚至造成LED背光的誤動作。以由額定正向電壓在3.7伏特的6顆高亮度LED串為例，在24VDC總線電源下透過2.57Ω電阻穩(wěn)壓，將消耗750毫安的電流，整體運作效率為92.5%，不過如果LED是在正向電壓最低的情況下發(fā)光，那么電流將提升到2.4安培，效率則下滑到76%，反之在最高正向電壓下，高亮度LED串的整體壓降將高于總線電壓，因此造成高亮度LED無法發(fā)光。

定電流控制降低輸出電流變化

一個較高效率且精確的解決方案是采用高電壓直流轉直流(DC/DC)降壓型轉換器，包含一個連接總線電源(Vbus)與高亮度LED的高電壓端開關或金屬氧化半導體場效晶體管及高亮度LED與接地間的感測電阻，這須在高電壓端加入浮動開關的組態(tài)，以便直接持續(xù)監(jiān)控負載電流并加以調整。

在正常運作情況下，輸出電流透過IFB接腳上的回授電壓來加以調整，通常為0.5伏特，當VIFB低于參考電壓(VIFBTH)時，高電壓端MOSFET導通，高亮度LED由直流總線供電，同時在IFB接腳電壓上升過程將能量儲存在LC諧振電路中，當IFB接腳上的電壓達到臨界值VIFBTH時，高電壓端的MOSFET便會在內建電路的固定時間延遲后斷開。

這時電路會開始釋放出事先儲存的能量來提供高亮度LED電源，而當IFB接腳上電壓下滑到固定臨界點時，MOSFET會再次導通，但內建的固定電路時間延遲會讓VIFB在MOSFET實際導通并且讓系統(tǒng)進行重復周期動作前低于臨界值。

藉由此固定時間延遲的幫助，電路的持續(xù)切換動作可以讓流經高亮度LED的電流維持在一個可以用VIFBTH(通常為0.5伏特)和RCS感測電阻間比率計算得出的IOUT(AVG)平均電流輸出值，只要由LC所組成的輸出諧振電路可以維持IFB接腳上的低漣波(通常低于0.1伏特)即可。圖3a與圖3b描述了使用固定時間延遲滯后式電流控制可以達到的超低輸出電流變化，顯示出在總線電壓位于40～170伏特輸入電壓時，1,400毫安運作下變動在±0.3%以內，而在15～30伏特電壓下，1,400毫安輸出時的變動更小于±0.1%。

此電路同時也限制了尖峰電流，因此可以搭配使用小型MOSFET以及小型電感，提供精準且多樣性的高效率控制解決方案，讓設計工程師可利用新一代高亮度LED背光技術強化LCD顯示質量。

值得注意的是，此方法同時也免除固定頻率振蕩器的需求，因為芯片會持續(xù)將負載電流與臨界值比較，并依結果進行MOSFET的切換控制，頻率可以自由選擇并依LC以及輸出入電壓而定，因此此電路不僅能對生產時的差異與溫度飄移進行補償，同時還可應用在寬廣的輸出入電壓范圍，以及不同的高亮度LED串或數(shù)組組態(tài)上。

背光之外的高亮度LED 控制亦相當適合

在單一芯片上實現(xiàn)連續(xù)模式時間延遲滯后式降壓型穩(wěn)壓器，為高功率LED定電流控制帶來單芯片的解決方案，以國際整流器公司的IRS2540與IRS2541為例，分別可由200伏特與600伏特的額定電源電壓運作，不管是由直流總線或直接交流電供電的情況下，每個組件都能提供高功率LED串的精密電流控制，相較于傳統(tǒng)轉換器，可節(jié)省體積與成本。

該兩款組件中所采用的時間延遲滯后式電流控制，相當適合用來控制新一代高亮度LED在各種應用中的發(fā)光強度、運作模式以及色彩等特性，而不局限在LCD面板的背光，目前市場上高亮度LED可以達到大約5瓦以及1.5安培的規(guī)格輸出，這將有助設計工程師將LED應用在廣告招牌、建筑照明、裝飾照明、娛樂應用、車用照明以及其它領域。