數(shù)碼相框的LED背光設(shè)計(jì)

近年來(lái)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(jī)和手機(jī)相機(jī)的普及，數(shù)碼相框市場(chǎng)正方興未艾。數(shù)碼相框具有內(nèi)置的揚(yáng)聲器和耳機(jī)，可以通過(guò)MP3功能實(shí)現(xiàn)動(dòng)人的畫(huà)面，由此我們不難預(yù)計(jì)相當(dāng)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(jià)格開(kāi)始回落，其流行風(fēng)潮必將很快到來(lái)。

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(guó)國(guó)家半導(dǎo)體針對(duì)數(shù)碼相框應(yīng)用推出的新產(chǎn)品，并著重驗(yàn)證在每種應(yīng)用中哪種產(chǎn)品最為有效。

美國(guó)國(guó)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(zhuān)門(mén)針對(duì)廣告行業(yè)而設(shè)計(jì)的。本文將主要介紹小尺寸數(shù)碼相框方案。

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

在設(shè)計(jì)LED背光驅(qū)動(dòng)電路時(shí)，最重要的問(wèn)題是在LED正向偏置時(shí)保持恒流。由于LED是電流驅(qū)動(dòng)型器件，光照強(qiáng)度取決于傳導(dǎo)電流的大小。為保證光照強(qiáng)度并提高LED的使用壽命，就必須保持恒定的電流。

市場(chǎng)上有多種類(lèi)型的LED模塊。7英寸機(jī)型采用3×7陣列或7×3陣列。8英寸機(jī)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(jì)初期選擇合適的LED驅(qū)動(dòng)器是非常重要的。圖2是8英寸LCD中LED模塊驅(qū)動(dòng)電路的一個(gè)示例。

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(guò)LED的陣列結(jié)構(gòu)及LED的正向壓降和正向電流來(lái)選擇LED驅(qū)動(dòng)器。如圖2所示，用于8英寸LCD BLU的白光LED的規(guī)格為：VF(最大值)=4V、IF(最大值)=25mA，陣列結(jié)構(gòu)為3×8。兩個(gè)LED節(jié)點(diǎn)之間的總電壓如下：

總VF=VF×串聯(lián)LED數(shù)=12V

總IF=IF×并聯(lián)線(xiàn)路數(shù)=25mA×8=200mA

因此所選LED驅(qū)動(dòng)器的驅(qū)動(dòng)能力必須超過(guò)12V、200mA。如圖2所示，需采用升壓DC/DC解決方案來(lái)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(guò)以下方法計(jì)算。

輸出功率為：

POUT=VOUT×IOUT=12×200mA=2.4W

因此所需的輸入功率為：

PIN=1.2×POUT=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IIN=PIN÷VIN=2.88W÷5V=576mA。因此，內(nèi)部開(kāi)關(guān)(FET)必須支持12V以上電壓及超過(guò)576mA的電流。對(duì)于8×3的LED陣列，結(jié)果為：

總VF=VF×串聯(lián)LED數(shù)=32V

總IF=IF×并聯(lián)線(xiàn)路數(shù)=25mA×8=75mA

FET的容量必須超過(guò)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?yàn)殚_(kāi)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。

2. 設(shè)計(jì)恒流電阻(RCC)以持續(xù)驅(qū)動(dòng)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(guò)下列公式算出：

RCC=FB電壓÷總IF=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：

RCC=FB電壓÷總IF=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(guò)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(guò)RCC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(hù)的喜好控制顯示器光照強(qiáng)度。目前有兩種調(diào)光控制方法。一種是直接通過(guò)LED控制傳導(dǎo)電流，另一種是通過(guò)控制電源的開(kāi)/關(guān)來(lái)導(dǎo)通或關(guān)斷LED，從而控制LED的導(dǎo)通時(shí)間。目前第二種方法更為流行，因?yàn)榈谝环N方法的電路較復(fù)雜，且始終處于通電狀態(tài)會(huì)縮短LED的工作壽命。如圖2和圖3所示，可以通過(guò)開(kāi)/關(guān)LM2733和LM273133來(lái)控制LED的開(kāi)關(guān)，而對(duì)LM2733和LM273133的開(kāi)關(guān)控制可通過(guò)在SHDN引腳上應(yīng)用脈沖寬度調(diào)制(PWM)得以實(shí)現(xiàn)。LED的照明強(qiáng)度可以通過(guò)調(diào)整脈沖占空比實(shí)現(xiàn)精確控制。要記住的是，脈沖頻率必須超過(guò)20kHz。低于20kHz的頻率會(huì)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(tīng)噪聲。

4. 需要過(guò)電壓保護(hù)(OVP)

大多數(shù)LED模塊是通過(guò)一個(gè)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(kāi)路，那么由于誤差放大器的負(fù)輸入端沒(méi)有信號(hào)，輸出電壓將會(huì)無(wú)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(wèn)題，可加入一個(gè)過(guò)電壓保護(hù)電路(如圖4所示)。

所增加的電路能夠保護(hù)器件不被過(guò)高的輸出電壓所損壞。D2的作用是避免R2和RCC在未連接LED模塊時(shí)形成并聯(lián)，并防止輸出過(guò)壓，因?yàn)镽1的阻值相對(duì)R2和RCC并聯(lián)值要大得多。

因此，在未接入LED模塊時(shí)，該電路以恒壓模式運(yùn)行；當(dāng)接入LED模塊時(shí)，則以恒流模式運(yùn)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VF值更高。即，在3×8陣列下，總VF值約為12V，那么R1和R2的輸出電壓可通過(guò)下列等式計(jì)算出：

VOUT=1.23(R1/R2+1)

在這個(gè)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VF、RCC兩個(gè)節(jié)點(diǎn)上的電壓變?yōu)?.23+VF。因此，RCC將有所增大，具體如下：

RCC=(1.23V+VF)÷ICC=(1.23V+0.4V)÷200mA=8.15Ω

如果計(jì)算RCC的功耗，可得出下列結(jié)果：

P=I2×R=0.182×8=0.32W

由于RCC的功耗高于0.32W，建議采用Wattage電阻器(1W)或并聯(lián)標(biāo)準(zhǔn)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(guò)該輸入電壓實(shí)現(xiàn)最佳性能，通常情況下需用到升壓轉(zhuǎn)換器。美國(guó)國(guó)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(shí)標(biāo)準(zhǔn)。我們可以看到利用LM2622是如何在+5.0V輸入電壓下實(shí)現(xiàn)下列不同電壓的：

+8.0V列驅(qū)動(dòng)器模擬電源電壓；

+23.0V行驅(qū)動(dòng)器導(dǎo)通電壓；

-8.0V行驅(qū)動(dòng)器關(guān)斷電壓。

1. +8.0V列驅(qū)動(dòng)器主模擬電壓

通常情況下，列驅(qū)動(dòng)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(shí)現(xiàn)紅色虛線(xiàn)圈中所示的+8.0V輸出電壓，建議將RFB1和RFB2的電阻值分別設(shè)為40.2kΩ及7.5kΩ：

RFB1=RFB2×(VOUT－1.26V)/1.26V

2. +23V行驅(qū)動(dòng)器開(kāi)啟電壓

這個(gè)23V的電源電壓被用于行驅(qū)動(dòng)器以打開(kāi)平板顯示器的柵極。總體來(lái)說(shuō)，這種配置能夠提供三倍于列驅(qū)動(dòng)器輸出電壓的電壓用作開(kāi)啟行驅(qū)動(dòng)器。該方法簡(jiǎn)單且十分經(jīng)濟(jì)，通過(guò)搭載電容器電荷泵，可在LM2622上實(shí)現(xiàn)23V的電源電壓。

3. -8.0V行驅(qū)動(dòng)器關(guān)斷電壓

為給行驅(qū)動(dòng)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。如欲了解更多信息，請(qǐng)參考LM2622數(shù)據(jù)手冊(cè)．

視頻解決方案

數(shù)碼相框離不開(kāi)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(lèi)型。美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體可提供各種解決方案以滿(mǎn)足客戶(hù)對(duì)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(duì)于數(shù)字平板接口應(yīng)用而言，客戶(hù)可采用美國(guó)國(guó)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(hù)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?yàn)?strong>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(guó)國(guó)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(shí)現(xiàn)優(yōu)質(zhì)音效。LM49270就是這種應(yīng)用的一個(gè)典型產(chǎn)品，它可以提供約2W的3D效果。