數(shù)碼相框的LED背光設(shè)計

近年來傳統(tǒng)紙質(zhì)相片相框的吸引力已日漸消退，隨著數(shù)碼相機和手機相機的普及，數(shù)碼相框市場正方興未艾。數(shù)碼相框具有內(nèi)置的揚聲器和耳機，可以通過MP3功能實現(xiàn)動人的畫面，由此我們不難預(yù)計相當比例的傳統(tǒng)相框?qū)⒈粩?shù)碼相框取代。此外，一旦數(shù)碼相框的價格開始回落，其流行風(fēng)潮必將很快到來。

正是基于上述原因，許多公司紛紛推出了最新的數(shù)碼相框模型。本文將介紹美國國家半導(dǎo)體針對數(shù)碼相框應(yīng)用推出的新產(chǎn)品，并著重驗證在每種應(yīng)用中哪種產(chǎn)品最為有效。

圖1是數(shù)碼相框的功能模塊圖示例。如圖所示，美國國家半導(dǎo)體的許多產(chǎn)品已被應(yīng)用在LCD偏置電源、LCD BLU(背光模組)、音頻和DC/DC模塊上。通常數(shù)碼相框顯示器的尺寸為5.6英寸、7英寸和8英寸，其中7英寸和8英寸是主流產(chǎn)品。較大尺寸的數(shù)碼相框是專門針對廣告行業(yè)而設(shè)計的。本文將主要介紹小尺寸數(shù)碼相框方案。

圖1：數(shù)碼相框功能模塊示意圖。

LCD面板是數(shù)碼相框的主要組成部分，它帶有用于背光照明的白光LED。目前，LM2733和LM27313已被大量用于白光LED BLU解決方案。LM2622被用于LCD偏置，LMH6683則用于視頻緩沖。如圖1所示，音頻和其它解決方案也可用于數(shù)碼相框產(chǎn)品。

白色LED背光解決方案

圖2和圖3顯示了用于8英寸數(shù)碼相框LCD的白光LED背光電路。在設(shè)計LED背光驅(qū)動電路時，最重要的問題是在LED正向偏置時保持恒流。由于LED是電流驅(qū)動型器件，光照強度取決于傳導(dǎo)電流的大小。為保證光照強度并提高LED的使用壽命，就必須保持恒定的電流。

圖2：8英寸LCD中的3×8陣列LED模塊驅(qū)動電路。

圖2中的LED模塊由共24個白光LED組成，這些LED每3個一組串聯(lián)在一起，分為8列并行連接。市場上有多種類型的LED模塊。7英寸機型采用3×7陣列或7×3陣列。8英寸機型分別采用3×8或8×3陣列。由于所需電壓和電流取決于這些陣列，因此在設(shè)計初期選擇合適的LED驅(qū)動器是非常重要的。圖2是8英寸LCD中LED模塊驅(qū)動電路的一個示例。

         圖3：8英寸LCD的8×3陣列LED模塊驅(qū)動電路。

1. 確定白色LED的規(guī)格并定義LED陣列的結(jié)構(gòu)。

可以通過LED的陣列結(jié)構(gòu)及LED的正向壓降和正向電流來選擇LED驅(qū)動器。如圖2所示，用于8英寸LCD BLU的白光LED的規(guī)格為：V_F(最大值)=4V、I_F(最大值)=25mA，陣列結(jié)構(gòu)為3×8。兩個LED節(jié)點之間的總電壓如下：

總V_F=V_F×串聯(lián)LED數(shù)=12V

總I_F=I_F×并聯(lián)線路數(shù)=25mA×8=200mA

因此所選LED驅(qū)動器的驅(qū)動能力必須超過12V、200mA。如圖2所示，需采用升壓DC/DC解決方案來提供12V的電壓，該電路利用DC/DC轉(zhuǎn)換器從12V墻式適配器獲得5V恒定電壓。如果采用的是升壓轉(zhuǎn)換器，則內(nèi)部FET容量需考慮可用容量，即最大輸入電流和最大輸出電壓。在圖2的電路中，所需FET容量可通過以下方法計算。

輸出功率為：

P_OUT=V_OUT×I_OUT=12×200mA=2.4W

因此所需的輸入功率為：

P_IN=1.2×P_OUT=1.2×2.4W=2.88W

假設(shè)轉(zhuǎn)換效率為80%，由于VIN為5V，則所需輸入電流為I_IN=P_IN÷V_IN=2.88W÷5V=576mA。因此，內(nèi)部開關(guān)(FET)必須支持12V以上電壓及超過576mA的電流。對于8×3的LED陣列，結(jié)果為：

總V_F=V_F×串聯(lián)LED數(shù)=32V

總I_F=I_F×并聯(lián)線路數(shù)=25mA×8=75mA

FET的容量必須超過32V、75mA。如果考慮LM2733和LM27313的關(guān)鍵性能，就可以得出表1所列結(jié)果：從表中我們可以看出，LM27313不適合8×3的陣列，因為開關(guān)的最大可用電壓為30V。圖2和圖3顯示，LM2733適用于8×3陣列，LM27313則適用于3×8陣列。

LED背光設(shè)計 src="/upload/2008_04/080403151721636.jpg" border=0>

2. 設(shè)計恒流電阻(R_CC)以持續(xù)驅(qū)動LED

如前文所述，保持LED的電流恒定非常重要。在3×8陣列中，所需電流約為210mA。圖2中的恒流電阻的阻值可通過下列公式算出：

R_CC=FB電壓÷總I_F=1.23V÷200mA=6.15Ω

因此采用6Ω的電阻器。在8×3陣列中，所需電流約為90mA，因此圖3中恒流電阻的電阻值可以下列公式算出：

R_CC=FB電壓÷總I_F=1.23V÷75mA=16.4Ω

在這種情況下使用17Ω的電阻器。從圖2和圖3我們可以看出，通過誤差放大器1.23V的反饋參考電壓保持FB電壓恒定，因此通過R_CC的電流能夠始終保持恒定。

3. 面向調(diào)光控制的有源關(guān)斷功能

調(diào)光控制是指根據(jù)客戶的喜好控制顯示器光照強度。目前有兩種調(diào)光控制方法。一種是直接通過LED控制傳導(dǎo)電流，另一種是通過控制電源的開/關(guān)來導(dǎo)通或關(guān)斷LED，從而控制LED的導(dǎo)通時間。目前第二種方法更為流行，因為第一種方法的電路較復(fù)雜，且始終處于通電狀態(tài)會縮短LED的工作壽命。如圖2和圖3所示，可以通過開/關(guān)LM2733和LM273133來控制LED的開關(guān)，而對LM2733和LM273133的開關(guān)控制可通過在SHDN引腳上應(yīng)用脈沖寬度調(diào)制(PWM)得以實現(xiàn)。LED的照明強度可以通過調(diào)整脈沖占空比實現(xiàn)精確控制。要記住的是，脈沖頻率必須超過20kHz。低于20kHz的頻率會使電路輸出端的多層陶瓷電容器產(chǎn)生波形振蕩，從而產(chǎn)生可聽噪聲。

4. 需要過電壓保護(OVP)

大多數(shù)LED模塊是通過一個連接器與主板相連的。如果圖2和圖3中LM2733和LM27313的輸出因誤操作或LED模塊受損而開路，那么由于誤差放大器的負輸入端沒有信號，輸出電壓將會無限制地上升。這將造成毀滅性后果，損壞LM2733和LM27313或輸出二極管。為解決這一問題，可加入一個過電壓保護電路(如圖4所示)。


              圖4：搭載過電壓保護功能的8×3 LED模塊驅(qū)動電路。

在圖4中，電阻器R1和R2通過向誤差放大器引腳(FB)饋送輸出電壓，確保恒定輸出電壓不會無限上升。所增加的電路能夠保護器件不被過高的輸出電壓所損壞。D2的作用是避免R2和R_CC在未連接LED模塊時形成并聯(lián)，并防止輸出過壓，因為R1的阻值相對R2和R_CC并聯(lián)值要大得多。

因此，在未接入LED模塊時，該電路以恒壓模式運行；當接入LED模塊時，則以恒流模式運行。在采用了R1和R2的恒壓模式下，輸出電壓必須設(shè)置得比LED模塊的總V_F值更高。即，在3×8陣列下，總V_F值約為12V，那么R1和R2的輸出電壓可通過下列等式計算出：

V_OUT=1.23(R1/R2+1)

在這個等式中，我們需將R2設(shè)為10kΩ。如果將VOUT設(shè)為15V，可得到如下結(jié)果：R1=112kΩ?？紤]到D2的V_F、R_CC兩個節(jié)點上的電壓變?yōu)?.23+V_F。因此，R_CC將有所增大，具體如下：

R_CC=(1.23V+V_F)÷I_CC=(1.23V+0.4V)÷200mA=8.15Ω

如果計算R_CC的功耗，可得出下列結(jié)果：

P=I²×R=0.18²×8=0.32W

由于R_CC的功耗高于0.32W，建議采用Wattage電阻器(1W)或并聯(lián)標準電阻器以提高電路安全性。

面向LCD平板電源的DC/DC轉(zhuǎn)換

在用于數(shù)碼相框的典型LCD平板顯示器中，輸入電源電壓約為5.0V。必須提供若干不同的電壓，以使顯示面板通過該輸入電壓實現(xiàn)最佳性能，通常情況下需用到升壓轉(zhuǎn)換器。美國國家半導(dǎo)體擁有最佳的電源解決方案LM2622。LM2622是中等尺寸LCD模塊電源解決方案的事實標準。我們可以看到利用LM2622是如何在+5.0V輸入電壓下實現(xiàn)下列不同電壓的：

+8.0V列驅(qū)動器模擬電源電壓；

+23.0V行驅(qū)動器導(dǎo)通電壓；

-8.0V行驅(qū)動器關(guān)斷電壓。

圖5中的電路顯示了應(yīng)如何配置LM2622，以提供8V、-8V和23V的輸出電壓，這對于偏置TFT顯示器而言是非常方便的。

圖5：8英寸LCD電源的典型偏置電路。

1. +8.0V列驅(qū)動器主模擬電壓

通常情況下，列驅(qū)動器的模擬電源電壓介于+7.5V和+10.0V之間。如圖5所示，模擬輸出電壓由電阻分壓器Rfb1和Rfb2控制。由于FB引腳上的電壓被內(nèi)定為+1.26V，為實現(xiàn)紅色虛線圈中所示的+8.0V輸出電壓，建議將R_FB1和R_FB2的電阻值分別設(shè)為40.2kΩ及7.5kΩ：

R_FB1=R_FB2×(V_OUT－1.26V)/1.26V

2. +23V行驅(qū)動器開啟電壓

這個23V的電源電壓被用于行驅(qū)動器以打開平板顯示器的柵極。如圖5所示，僅需若干組件即可實現(xiàn)+23V的電源電壓?？傮w來說，這種配置能夠提供三倍于列驅(qū)動器輸出電壓的電壓用作開啟行驅(qū)動器。該方法簡單且十分經(jīng)濟，通過搭載電容器電荷泵，可在LM2622上實現(xiàn)23V的電源電壓。

3. -8.0V行驅(qū)動器關(guān)斷電壓

為給行驅(qū)動器提供用作關(guān)斷TFT柵極的-8V電源電壓，可將LM2622與二極管變頻電路結(jié)合使用，如圖5所示。

視頻解決方案

數(shù)碼相框離不開視頻緩沖器或數(shù)字接口。具體解決方案取決于平板輸入的類型。美國國家半導(dǎo)體可提供各種解決方案以滿足客戶對各種模擬解決方案的需求，還能夠提供各種視頻放大器，如LMH6643、LMH6683和LMH6601等。

對于數(shù)字平板接口應(yīng)用而言，客戶可采用美國國家半導(dǎo)體的各種解決方案。這些解決方案可降低電磁干擾(EMI)，并幫助客戶利用SerDes解決方案輕松構(gòu)建系統(tǒng)。

音頻解決方案

音頻是數(shù)碼相框的重要功能之一，因為數(shù)碼相框不僅可以顯示照片，而且能夠?qū)崿F(xiàn)出色的音頻播放。美國國家半導(dǎo)體提供了各種音頻解決方案，尤其值得一提的是，內(nèi)置3D功能能夠在小范圍內(nèi)實現(xiàn)優(yōu)質(zhì)音效。LM49270就是這種應(yīng)用的一個典型產(chǎn)品，它可以提供約2W的3D效果。