利用200V SOI工藝有效降低LED TV背光方案成本

CCFL和LED是當(dāng)前LCD僅有的兩種背光源，CCFL是傳統(tǒng)的背光方式，而LED作為LCD背光的后起之秀，正在迅速搶占LCD背光市場。

電視機(jī)廠商和面板廠商之所以積極推動LED背光液晶電視，原因在于全球各國的耗電量規(guī)定以及其環(huán)保因素（不含汞等重金屬），再加上其輕、巧、薄等特點(diǎn)。LED作為電視背光關(guān)注度大幅提升，同時大大改善了LCD的性能，不少廠家甚至直接稱使用LED背光的LCD電視為“LED電視”，可見LED在顯示領(lǐng)域發(fā)揮著相當(dāng)重要的作用。現(xiàn)在LED背光已被提到了一個相當(dāng)重要的高度，因?yàn)樗枪?jié)能降耗的關(guān)鍵，也是提升清晰度的關(guān)鍵，同時也因其價值不菲成為控制成本的關(guān)鍵。CCFL大勢已去，LED背光迅猛的增長速度已無可阻擋。

LED取代CCFL勢如破竹，發(fā)展速度超乎人們的預(yù)想。DisplaySearch的調(diào)研結(jié)果顯示，2010年全球使用LED背光的液晶電視機(jī)達(dá)三千七百萬臺，約占LCD電視市場的20%份額。這個預(yù)測大大超過了之前的估計，以至于引起部分原材料短缺，比如導(dǎo)光板及其生產(chǎn)材料樹脂、光學(xué)板、半導(dǎo)體和電源用變壓器等部件的供應(yīng)緊缺，否則2010年的LED電視市場規(guī)模還會更大。即便如此，2010年的LED液晶電視仍是2009年的10倍以上。

液晶電視的LED背光模式

液晶面板中LED背光的設(shè)置方式，主要有兩種：側(cè)投式和直投式。人們普遍認(rèn)為直投式LED背光電視的畫面感更強(qiáng)。在直投式電視里，要用到數(shù)千個LED作為背光并被均勻地排列在整個顯示屏的背后。它們在明亮的圖像區(qū)域發(fā)出更強(qiáng)的光亮，并且在暗色彩區(qū)完全變暗，節(jié)約能源并最大限度提升圖像對比度，在圖片上產(chǎn)生強(qiáng)烈的對比效果，色彩分明。這種方案的不足之處在于：使用大量LED燈的同時還需要更多符合要求的LED驅(qū)動芯片，因此造成直投背光模式成本很高。鑒于該方案的高成本和高復(fù)雜度，如今的直投背光模式只應(yīng)用在高端LED電視方面。

另一種更常用的背光方式是側(cè)投式。側(cè)投式背光是將燈沿著液晶面板四周邊緣排列，與導(dǎo)光板結(jié)合均勻地將光線照射在整個面板上。由于側(cè)投式顯示所需要單獨(dú)控制的LED數(shù)量、組數(shù)比直投式少，所以在構(gòu)建LED驅(qū)動方式時更有靈活性；無論高/低電壓均可使用，使得系統(tǒng)工程師能夠?qū)Ｗ⒂谛阅芎涂尚行苑桨傅某杀痉矫?。由于具有成本低、性能?yōu)異以及機(jī)身較薄的優(yōu)勢，目前側(cè)投式LED背光已占據(jù)了市場主導(dǎo)地位。表1簡單總結(jié)了這兩種背光模式的差異和優(yōu)缺點(diǎn)。

200V SOI工藝技術(shù)

工程師選擇LED背光驅(qū)動芯片時，會發(fā)現(xiàn)市場上已經(jīng)有眾多的供應(yīng)商，但絕大多數(shù)供應(yīng)商的產(chǎn)品都集中在40V～60V電壓等級范圍內(nèi)，其原因在于40V的半導(dǎo)體工藝門檻比較低。這給OEM設(shè)計師在對系統(tǒng)構(gòu)架選擇時帶來重大影響。使用40V的LED驅(qū)動芯片可以有兩個主要的設(shè)計方案：1）每路串聯(lián)不超過10顆燈；2）一些設(shè)計方案中串聯(lián)10顆燈以上。通常情況下，后一種方案會犧牲一定的可靠性，包括在故障條件下的保護(hù)功能，諸如發(fā)光二極管LED內(nèi)部短路故障或過電壓擊穿，所以那些對可靠性和品質(zhì)要求都很高的液晶電視廠家并不接受這種方案。

為有效降低LED TV背光驅(qū)動方案的成本，芯凱電子科技有限公司(Kinetic Technologies)針對 LED背光和照明開發(fā)了全新的200V的SOI晶圓技術(shù)。與CMOS或BiCMOS工藝相比，SOI降低了寄生電容從而可以允許更高的速度和更低的功耗，同時也降低了噪音，沒有閉鎖問題。同時SOI在制造流程上與現(xiàn)有的CMOS工藝兼容，因此生產(chǎn)成本得到有效的控制。

圖1 40V LED驅(qū)動方案和200V LED驅(qū)動方案的背光結(jié)構(gòu)

圖2 高壓 SOI和高壓BCD工藝的比較

芯凱電子的200V SOI器件是制作于薄硅層上的二氧化硅（SiO2）絕緣層；其200V SOI工藝的晶體管器件被掩埋的氧化絕緣層和溝道隔離層所環(huán)繞。因?yàn)榻^緣層將NMOS井和PMOS井隔離開，從而避免了常見的高壓閉鎖問題。同樣，掩埋的氧化絕緣層作為介質(zhì)阻擋，防止基板漏電，并減少基板噪聲。

將典型的高電壓BCDMOS和芯凱的200V SOI對比可發(fā)現(xiàn)，用于高電壓BCDMOS芯片需要很厚的保護(hù)環(huán)，這會使其芯片面積增加，達(dá)到芯凱同等電壓SOI芯片面積的三倍以上，如圖２所示。一個直觀的例子是，通常BCDMOS工藝?yán)锏腖DMOS間的間距需要18um，而 SOI只有1.4um。

SOI工藝的另一個優(yōu)點(diǎn)是可以與低電壓器件兼容保存而沒有明顯的成本和大小差距。相反地，典型的BCDMOS工藝由于需要與低壓元件有很大間距，因而使得高低壓兼容的芯片成本大幅提高。當(dāng)然SOI襯底材料成本相較于一般的CMOS或BCDMOS硅片更高，這無疑將被視為劣勢。然而，SOI里元件實(shí)現(xiàn)以及單芯片中高/低壓元件的有機(jī)結(jié)合，相比于典型的高壓柵極隔離工藝，SOI芯片會更小，因此SOI芯片的成本反而相當(dāng)合理。

基于200V SOI工藝的LED驅(qū)動方案

根據(jù)LED驅(qū)動芯片的電壓等級和背光的要求，LED背光架構(gòu)可分為少路多串聯(lián)和多路少串聯(lián)兩種。從電器特性來講，系統(tǒng)設(shè)計者可以選擇一路串聯(lián)很多個LED或者一串很少LED的結(jié)構(gòu)。

作為一個極端的例子，如果一個電視機(jī)里全部背光LED都串聯(lián)在一起，那就只需要一個單路的LED驅(qū)動芯片，LED的亮度會完美匹配。但是通常一個普通尺寸的液晶電視需要上百顆乃至數(shù)百上千的LED，驅(qū)動這樣一串LED所需的驅(qū)動電壓將達(dá)數(shù)百伏（>300V）甚至上千伏，這對家用電器的安全性和效率是一個很大的挑戰(zhàn)。另外，該方式無法對不同的LED進(jìn)行調(diào)光，因此只能用于側(cè)投式的驅(qū)動架構(gòu)。[!--empirenews.page--]

相應(yīng)地，也可以采用很多通道但每個通道只有很少的LED串聯(lián)的方式，比如說，每路僅有十顆或更少LED串聯(lián)。這樣，同樣一個電視背光方案就需要幾十路甚至上百路的LED通道，需要可支持很多路LED驅(qū)動的芯片或芯片組，這樣以來，芯片成本的增加在所難免。當(dāng)然，這種方式的好處是芯片選擇余地比較廣，設(shè)計安規(guī)達(dá)標(biāo)不難。也有人認(rèn)為，采用這種方式應(yīng)該在功率轉(zhuǎn)換效率上有些優(yōu)勢。但實(shí)際上由于LED的正向電壓降都不一致，有時在任意兩顆燈之間可能會有10%左右的電壓差別，用一顆驅(qū)動芯片去驅(qū)動很多路LED不一定在工作效率上會占有優(yōu)勢。

總體來講，這個控制架構(gòu)會比前一種方式的系統(tǒng)成本高。不過，如果是直投式的話，因?yàn)辄c(diǎn)陣調(diào)光的需要，就必需使用很多路的LED通道，因而只能使用相對低壓的多路LED驅(qū)動芯片。從實(shí)際應(yīng)用而言，為了成本和安規(guī)的緣故，更多的時候是使用折中方案，即幾路、每路幾十顆LED燈的控制方式。芯凱電子新近自主研發(fā)的LED驅(qū)動芯片KTD360，在這些方面取得了突破。

KTD360是一顆高達(dá)200V的LED驅(qū)動芯片，可同時驅(qū)動６路并聯(lián)、每路60顆LED串聯(lián)、每顆LED電流可達(dá)150毫安。之所以選用200伏的SOI工藝，是因?yàn)楹芏嘞到y(tǒng)廠商可以提高200V以下的高壓電源，也可以順利通過電視等安規(guī)的要求，從而在不犧牲效率的前提下大幅節(jié)省驅(qū)動成本。

表2將芯凱200V驅(qū)動芯片與市場上常見的40V驅(qū)動芯片的成本進(jìn)行了比較。從比較可見，200V的LED驅(qū)動芯片不僅可以大幅降低成本，還能減少驅(qū)動電路板的面積并簡化版圖布線。

除了降低成本和簡化布線，KTD360還集成了一個與提供高壓驅(qū)動電源互動的反饋信號（FBO）來有效調(diào)節(jié)電壓，使得驅(qū)動電源電壓接近負(fù)載LED 的正向壓降，從而保證90%以上的效率。如圖3所示的37英寸電視背光方案，一顆KTD360可以驅(qū)動42x6 = 252顆（150mA）LED。其中驅(qū)動LED的高壓電源由KTC351升壓電源提供，但KTD360可以與其它任何一種帶有反饋接口的電源有效配合來驅(qū)動LED背光模組。

圖3　基于KTD360的37英寸電視背光范例

這個案例每路驅(qū)動42顆功率LED 總共達(dá)900mA的LED的驅(qū)動電流。由于KTD360的智能反饋設(shè)計，整個驅(qū)動及電源系統(tǒng)包括KTD360 驅(qū)動電路、 KTC351升壓電路及所以得外圍元器件的總體效率在整個工作范圍（每路50mA到150mA）內(nèi)都在90%以上，并在每路130mA（總共780mA)電流附近接近96%的高效率。如此的高效率是很多低壓方案都難以達(dá)到的。

圖4　KTD360+KTD351驅(qū)動方案的效率與每路LED電流（共6路）的關(guān)系。

本文小結(jié)

LED電視將會隨著廠家新品牌的不斷推出而進(jìn)一步高速發(fā)展，新的系統(tǒng)架構(gòu)和元器件也將隨之大批涌現(xiàn)，電視廠家因此會有更多的選擇空間。但是由于市場價格的不斷降低，電視廠家的成本壓力也會變得越來越大。LED背光架構(gòu)和驅(qū)動系統(tǒng)的選擇將會對電視的最終成本和品質(zhì)產(chǎn)生巨大影響。與40V~60V的驅(qū)動芯片相比，使用100V到200V范圍的驅(qū)動芯片將會有效地降低LED驅(qū)動成本。

表1 側(cè)投式與直投式背光的優(yōu)劣對比

表2　40V驅(qū)動芯片和200V驅(qū)動芯片的比較.