詳解保護機制 LED背光模組安全性升級

現(xiàn)今已有越來越多電子產(chǎn)品采用LED背光模塊，為確保背光模塊性能，LED驅(qū)動IC的保護功能已格外受到重視。良好的保護機制必須針對拓撲的輸入、輸出與LED背光等部分，進行全面且完善的考慮，并要同時兼顧高LED驅(qū)動電流能力與電流平衡。

 
　　然而，在LED背光模塊開始大放異彩的同時，不得不同時思考著LED背光模塊失效模式的預(yù)防，這可避免因其失效而產(chǎn)生使用安全性的疑慮，尤其當應(yīng)用場合從家庭慢慢延伸至公共場合時，LED驅(qū)動集成電路(Driver IC)保護動作機制就顯得格外重要。 

　　目前LED驅(qū)動IC主要保護機制分為對拓撲架構(gòu)的保護，例如過電壓保護(Over Voltage Protection, OVP)、過電流保護(Over Current Protection, OCP)、短路保護(Short Circuit Protection, SCP)，其相關(guān)保護不外乎針對電性應(yīng)用上的保護，或者是模塊端、系統(tǒng)端制程相關(guān)的保護，而目的均以安全考慮或不損壞系統(tǒng)端組件；還有對LED燈條端的保護，例如LED開路保護(LED Open Protection, LOP)、LED短路保護(LED Short Protection, LSP)；由于LED屬于半導(dǎo)體物理組件，過高的操作電壓及長時間的操作電流皆會造成LED組件損傷，因此如供電電壓不穩(wěn)、LED線路間或本身質(zhì)量因素造成短路，或是開路都會使LED失效造成亮度差異，進而影響面板畫面質(zhì)量及LED的壽命。本文將針對不同的保護機制動作原理及判斷機制做深入的探討。

　　LED背光保護機制各有專長

　　一般應(yīng)用于LED驅(qū)動的拓撲架構(gòu)均以提供LED穩(wěn)定電流為目標，再以輸出與輸入的電壓關(guān)系選擇適合的拓撲架構(gòu)；相較于目前的應(yīng)用，LED亮度與電流、應(yīng)用的數(shù)量成正比，所以為求高亮度與多顆LED串聯(lián)，其多串并聯(lián)使用為現(xiàn)今背光模塊大多數(shù)的應(yīng)用方式。

　　而其所須提供驅(qū)動LED的電壓也相較比輸入電壓高；此時升壓式轉(zhuǎn)換器(圖2)就是一個相當不錯的拓撲架構(gòu)，但因其為升壓架構(gòu)，若有任何異常發(fā)生時，異常的高電壓輸出與高輸入電流將是設(shè)計人員考慮的必要因素。

 
圖2 升壓轉(zhuǎn)換器+多通道電流平衡

　　若把需配合電源系統(tǒng)的交流轉(zhuǎn)直流的因素考慮進來，時下返馳式(Flyback)、半橋諧振(LLC)(圖3)配合電流均流IC回授控制前級均是目前應(yīng)用的主流。在此，將針對拓撲端的失效模式與LED端的失效模式應(yīng)具備的保護機制逐一介紹。其相關(guān)LED背光保護機制有OVP、輸入過電流保護、輸出過電流短路保護、LED開路保護、LED短路保護、過溫保護。

 
圖3 多通道電流平衡

　　輸出過電壓保護的LED驅(qū)動多為升壓式轉(zhuǎn)換器(圖4)，如未有過電壓保護，在回授訊號異常時，輸出電壓有可能超出組件所能承受電壓，造成組件及LED損壞。因此LED驅(qū)動器的過電壓保護設(shè)定保護點須考慮LED最大操作電壓(圖5)，以求能正確保護LED及其他組件，且不會因為LED的零件誤差造成保護誤動作。

 
圖4 LED驅(qū)動器過電壓保護區(qū)塊

 
圖5 LED驅(qū)動器過電壓保護時段

　　輸入過電壓保護主要是保護開關(guān)組件N型金屬氧化物半導(dǎo)體場效晶體管(NMOS)及防止電感L發(fā)生飽和現(xiàn)象(圖6)，當輸入電流過大時，升壓式轉(zhuǎn)換器會強制關(guān)閉NMOS(圖7)，限制最大輸入電流。

 
圖6 LED驅(qū)動器過電流保護區(qū)塊

 
圖7 LED驅(qū)動器過電流保護時機

　　輸出過電流短路保護(圖8)是當升壓式轉(zhuǎn)換器的二極管(Diode)未連接或輸出短路到地時，LED驅(qū)動IC會判斷回授系統(tǒng)異常，進而關(guān)閉LED驅(qū)動IC以防止能量繼續(xù)輸出而導(dǎo)致整個轉(zhuǎn)換器的損壞或系統(tǒng)的燒毀(圖9)。

 
圖8 LED驅(qū)動器短路保護區(qū)塊[!--empirenews.page--]

 
圖9 LED驅(qū)動器短路保護時機

　　LED開路保護是由于LED因本身質(zhì)量不良或光條連接系統(tǒng)間，發(fā)生連接不良開路現(xiàn)象時(圖10)，VD電壓會接近0伏特(V)，此時Boost升壓轉(zhuǎn)換器會因無偵測到回授訊號進而將輸出電壓Vout提高，如未有LED開路保護將異?；芈窂纳龎恨D(zhuǎn)換器回授控制中隔離，則多余電壓會跨于正常工作的LED驅(qū)動或外部穩(wěn)流NMOS上(圖11)，其公式為：PD=ILED×Ve。將會造成組件過熱的問題發(fā)生。

 
圖10 LED驅(qū)動器開路保護區(qū)塊

 
圖11 LED驅(qū)動器開路保護時機

　　LED短路保護的用途是LED因線間鏈接接觸問題或是LED質(zhì)量不良，LED發(fā)生短路；當LED短路發(fā)生時(圖12)，多余電壓會跨在LED驅(qū)動或外部穩(wěn)流NMOS上，其公式為PD=ILED×VLED-Short。當LED短路顆數(shù)過多時，LED驅(qū)動及NMOS會有過溫的現(xiàn)象發(fā)生(圖13)。

 
圖12 LED驅(qū)動短路保護區(qū)塊

 
圖13 LED驅(qū)動器短路保護時機

　　監(jiān)測溫度功能可避免照明中斷

　　過溫度保護的過溫度失效模式約來自于兩大部分，首先是使用高亮度LED做光源時，相對的其產(chǎn)生的熱也較高。當此類LED在應(yīng)用時，雖可發(fā)出足夠的光及有效減少LED的使用數(shù)目，但其所產(chǎn)生的另一個副作用即是熱。在正常的使用條件下，多少LED電流會對LED產(chǎn)生多高的溫度是可預(yù)期的。但當故障發(fā)生時，過高的溫度會使LED的亮度產(chǎn)生衰減甚至會損壞LED，此時IC須有偵測溫度的功能，當偵測到異常高溫時，可降低LED電流而降低亮度使其溫度降低，待溫度持續(xù)降低到可接受值時，再提高LED的亮度，此保護功能可避免因異常溫度引起的照明中斷；相對的亦可停止LED輸出電流的供應(yīng)使照明中斷。其次，當LED短路或其他使IC本身發(fā)生異常之高溫，此時須由IC本身之過溫度保護偵測動作來保護異常動作的持續(xù)發(fā)生，以避免相關(guān)的安全性問題發(fā)生。

　　兼顧高LED驅(qū)動電流/電流平衡　高整合度解決方案大展身手

　　LED取代冷陰極燈管(CCFL)做為背光源應(yīng)用于筆記本電腦、桌上型顯示器、電視等10吋以上大尺寸面板，其LED背光源模塊的背光驅(qū)動IC保護功能整合就更顯得格外重要，綜觀上文敘述， LD7889能夠針對拓撲之輸入、輸出與LED背光提供一完整且全面的保護，且其為一將升壓架構(gòu)與電流平衡高度整合的LED解決方案，可以針對各串LED電流提供高精度之電流平衡度(<2%)，高LED電流之驅(qū)動能力，如每一個LED串=240毫安(mA)，對于三維(3D)的應(yīng)用也能提供如2毫秒(ms)，400毫安/每串瞬間高電流的LED驅(qū)動能力。就其全面的失效保護功能以及兼顧高LED驅(qū)動電流能力與電流平衡的高精度考慮之下，LD7889確實為一優(yōu)異的LED背光驅(qū)動解決方案。