白光LED背光源驅(qū)動(dòng)在液晶電視中的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

 一、背景技術(shù)

　　以白光LED 作為背光源的液晶電視正逐步取代當(dāng)前占市場(chǎng)主流的CCFL背光源液晶電視。盡顯LED 背光電視的超薄，長(zhǎng)壽命，環(huán)保，節(jié)能燈優(yōu)點(diǎn)。相對(duì)于CCFL 背光源，白光LED 背光源具有以下優(yōu)勢(shì)：

　　1）環(huán)保，白光LED 采用半導(dǎo)體技術(shù)發(fā)光，內(nèi)部不含汞等有害物質(zhì)，相對(duì)于含汞的CCFL 燈管，符合當(dāng)前全世界環(huán)保需求。

　　2）低功耗，目前白光LED 100lm/w 左右的發(fā)光效率使液晶電視背光源功耗大大下降，相對(duì)于同等亮度的CCFL 背光源，功耗降低30% 以上。

　　如果采用動(dòng)態(tài)局部調(diào)光技術(shù)，將可以進(jìn)一步降低功耗。

　　3）長(zhǎng)壽命，LED 使用壽命長(zhǎng)達(dá)10 萬(wàn)小時(shí)，可以大大延長(zhǎng)液晶電視的使用壽命。

　　4）光學(xué)特性好，LED 背光源有更好的色域和對(duì)比度。其色彩表現(xiàn)力強(qiáng)于CCFL 背光源，可對(duì)顯示色彩數(shù)量不足的液晶技術(shù)起到很好的彌補(bǔ)作用，色彩還原好。

　　5）超薄，特別是側(cè)邊式白光LED 背光技術(shù)的應(yīng)用，使超薄型液晶電視成為可能。

　　6）安全，LED 使用的是低壓直流驅(qū)動(dòng)電源，十分安全，供電模塊的設(shè)計(jì)相較CCFL 高壓驅(qū)動(dòng)也更為簡(jiǎn)單。

　　市場(chǎng)方面，以韓國(guó)三星為代表的電視廠商全面推廣側(cè)邊式LED 背光（Edge Light），該技術(shù)由于成本低，功耗低，超薄等優(yōu)勢(shì)迅速成為市場(chǎng)主流。

　　二、LED的伏安特性及案例需求

　　而關(guān)于白光LED 驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)，也成為半導(dǎo)體行業(yè)的一大熱點(diǎn)。而選擇一個(gè)好的LED 驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)方案，首先必須了解LED 本身的電氣特性。

　　如圖1 所示，額定電流20mA，正向?qū)妷?.3V 的LED 的伏安特性曲線：可以看出LED電流隨電壓變化大的特性。由于LED 電流直接決定了亮度的輸出，所以必須采用控制電流恒定為前提的驅(qū)動(dòng)芯片，而正向?qū)妷河稍撾娏鳑Q定。

圖1 白光LED 的伏安特性曲線

　　現(xiàn)以CCFL Inverter 控制芯片和LED 驅(qū)動(dòng)芯片領(lǐng)域具有領(lǐng)先地位的美國(guó)公司O2Micro 的LED 恒流控制芯片OZ9967 為例，設(shè)計(jì)一款應(yīng)用于32”LED 背光源的液晶電視LED 驅(qū)動(dòng)方案。32” LED背光液晶電視采用6 通道120mA 白光LED，每通道串聯(lián)25 顆LED，總共150 顆LED。

　　三、驅(qū)動(dòng)方案介紹

　　OZ9967 方案主要特點(diǎn)：

　　1）高頻升壓變換器

　　2）6 通道電流平衡恒定控制

　　3）實(shí)現(xiàn)外部和內(nèi)部PWM 調(diào)光控制

　　4）輸入欠壓鎖定

　　5）Mosfet 過(guò)流保護(hù)

　　6）LED 短路保護(hù)

　　7）LED 過(guò)流保護(hù)

　　8）LED 開(kāi)路保護(hù)

　　9）二極管開(kāi)路保護(hù)

　　10）輸出短路保護(hù)[!--empirenews.page--]

　　該芯片功能結(jié)構(gòu)圖如圖2 所示。

圖2  芯片功能結(jié)構(gòu)圖

　　Pin 腳功能定義：

　　Pin1-Pin11, Pin28 ： LED 電流檢測(cè)和相應(yīng)的補(bǔ)償反饋。LED 電流設(shè)定如下：

　　Pin12 ：功率地，Pin16 為信號(hào)地。

　　Pin13 ：升壓驅(qū)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)電壓為5V。

　　Pin14 ：為芯片內(nèi)部5V 參考電壓輸出。[!--empirenews.page--]

　　Pin15 ：為升壓驅(qū)動(dòng)信號(hào)工作頻率設(shè)定，為0-1.7V 鋸齒波：

　　Pin17 為Mosfet 峰值電流檢測(cè)，當(dāng)該點(diǎn)電壓達(dá)到0.5V 時(shí)，芯片會(huì)認(rèn)為Mosfet 過(guò)流同時(shí)關(guān)掉驅(qū)動(dòng)信號(hào)直到下一個(gè)周期重新恢復(fù)。正常工作條件下，該點(diǎn)電壓在0 . 2 ~ 0 . 3 V 左右。

　　Pin18 ：芯片供電輸入，工作范圍6V~40V。

　　Pin19：使能輸入，當(dāng)信號(hào)高于2V 芯片啟動(dòng)，低于0.8V 芯片停止工作。

　　Pin20 ：軟啟動(dòng)和環(huán)路補(bǔ)償。

　　Pin21 ：內(nèi)部PWM 調(diào)光頻率設(shè)定。

　　當(dāng)選用外部PWM 調(diào)光時(shí)，通過(guò)分壓電阻將該P(yáng)in 設(shè)置在1V 左右。

　　Pin22 ：輸入電壓欠壓鎖定，當(dāng)該P(yáng)in 電壓低于1.4V， 芯片停止工作， 當(dāng)電壓超過(guò)1.5V，芯片恢復(fù)工作狀態(tài)，可通過(guò)電阻分壓網(wǎng)絡(luò)對(duì)輸入電壓進(jìn)行設(shè)定。

　　Pin23 ：調(diào)光?？山邮芫€性電壓實(shí)現(xiàn)內(nèi)部PWM 調(diào)光，當(dāng)線性輸入電壓大于1.5V 為最大亮度100% 而小于0.1V 為最低亮度0%，調(diào)光頻率通過(guò)Pin21 設(shè)定。如果要實(shí)現(xiàn)外部PWM 調(diào)光，則只需設(shè)定Pin21 為1V 左右，輸入0V~3.3V 的PWM 信號(hào)即可實(shí)現(xiàn)外部PWM 調(diào)光，亮度跟隨所輸入的PWM 占空比改變而調(diào)節(jié)。

　　Pin24 ：狀態(tài)輸出，正常工作條件下，該P(yáng)in為高阻抗信號(hào)，當(dāng)LED 出現(xiàn)開(kāi)路短路等異常，該P(yáng)in 將輸出一個(gè)低電平信號(hào)，該P(yáng)in 可作為給主板的異常報(bào)警信號(hào)或者作為保護(hù)動(dòng)作信號(hào)。

　　Pin25 ：定時(shí)，配合Pin26 工作。

　　Pin26 ：過(guò)壓檢測(cè)，通過(guò)分壓電阻檢測(cè)輸出電壓，當(dāng)該P(yáng)in 電壓超過(guò)2.37V，升壓驅(qū)動(dòng)信號(hào)關(guān)閉，如果LED 通道全部連接好，Pin25 將開(kāi)始充電，充電至3V 時(shí)，LED 平衡電路將關(guān)閉同時(shí)該P(yáng)in 開(kāi)始放電，當(dāng)放電至0.1V 時(shí)，平衡電路重新開(kāi)始工作。在任何時(shí)候，當(dāng)該P(yáng)in 電壓下降至2.27V 時(shí)，升壓驅(qū)動(dòng)信號(hào)重新啟動(dòng)恢復(fù)正常工作。

　　如果至少一個(gè)LED 通道開(kāi)路，當(dāng)該P(yáng)in 電壓升至2.37V 時(shí)驅(qū)動(dòng)信號(hào)關(guān)閉，Pin25 不會(huì)動(dòng)作，當(dāng)輸出電壓下降使該P(yáng)in 降至2.27V 時(shí)，驅(qū)動(dòng)信號(hào)恢復(fù)并且忽略掉開(kāi)路的LED 通道繼續(xù)正常工作。當(dāng)輸出電壓短路到地或者肖特基二極管開(kāi)路，輸出電壓下降使該P(yáng)in 電壓下降至0.1V 時(shí)，芯片將關(guān)閉驅(qū)動(dòng)信號(hào)，當(dāng)該P(yáng)in 電壓恢復(fù)至0.1V 以上時(shí)，芯片恢復(fù)工作。

　　Pin27 ：LED 短路范圍設(shè)定，該P(yáng)in 電壓通過(guò)電阻網(wǎng)絡(luò)設(shè)定，當(dāng)任何一路LED 電流檢測(cè)的補(bǔ)償Pin（COMP1-6）電壓高于該P(yáng)in 電壓的4 倍，則該LED 通道將會(huì)被關(guān)閉，其他通道正常工作。

　　四、參數(shù)計(jì)算與確認(rèn)

　　由于輸出為25 顆LED 串聯(lián)，6 通道， 所以輸出電壓約為25×3.3V=82.5V，實(shí)際上準(zhǔn)確的輸出電壓由120mA 電流經(jīng)過(guò)LED 燈產(chǎn)生的壓降決定。輸入VIN=24V，則需采用升壓電路（BOOST） 將24V 升至約82.5V， 該升壓線路由一顆電感，一顆Mosfet，一顆肖特基二極管，以及輸出電解電容組成。OZ9967 通過(guò)檢測(cè)電阻檢測(cè)LED 電流經(jīng)過(guò)負(fù)反饋調(diào)節(jié)Pin13 驅(qū)動(dòng)信號(hào)占空比D，使電感在Mosfet 開(kāi)通時(shí)存儲(chǔ)能量關(guān)斷時(shí)釋放能量，從而得到所需要的最高輸出電壓。

　　OZ9967 基本電路原理圖如圖3 所示。

圖3 OZ9967 基本電路原理圖[!--empirenews.page--]

　　關(guān)鍵元件選擇

　　1. 電感

　　假設(shè)電感工作在臨界模式，通過(guò)升壓電路原理，可得如下公式：

　　其中Vout=82.5V， 最大輸出電壓=24V， 輸入電壓T=5us，工作頻率，通過(guò)電阻電容可自主設(shè)定，現(xiàn)假設(shè)為200KHz。

　　ILED=720mA，輸出LED 總電流，120mA×6。

　　D 為OZ9967 驅(qū)動(dòng)占空比。

　　所以可得D=0.71臨界電感L=17μH。

　　當(dāng)L>17μH 時(shí)，升壓電路工作在連續(xù)模式；當(dāng)L<17μH 時(shí)， 升壓電路工作在不連續(xù)模式，故可選用L=22μH，升壓電路工作在連續(xù)模式。

　　再計(jì)算電感峰值電流：

　　可得電感峰值電流Ip=5A。

　　所以可選用22μH/6A 的電感。

　　2. Mosfet

　　Mosfet 峰值電流和電感峰值電流相等為5A。

　　其均方根電流可由下式得到：

　　可得Irms=3.2A。

　　由于Mosfet 關(guān)斷時(shí)肖特基二極管導(dǎo)通，其漏極電壓為0.2+82.5=82.7V。

　　考慮關(guān)斷尖峰及裕量，可選用150V/10A 的Mosfet。

　　3. 肖特基二極管選擇

　　肖特基二極管峰值電流和電感一樣為5A，關(guān)斷時(shí)反向電壓為82.5V，考慮關(guān)斷尖峰及裕量，可選用150V/10A 的肖特基二極管。

　　4. 輸出電解電容的選擇

　　考慮1% 的輸出電壓紋波，則可得Cout=3μH，可選用100V/4.7μH 的電解電容。

　　5. 電流檢測(cè)電阻

　　可得6 路檢測(cè)電阻RIsen=2.54Ω6. 電流平衡三極管選擇。

　　正常情況下， 該三極管通過(guò)120mA 電流，其功耗P=120mA*Ve 取決于射極電壓值。由于LED 等本身的正向?qū)妷喝莶?，將?huì)導(dǎo)致三極管射極電壓值升高，使其功耗增大。當(dāng)設(shè)計(jì)要求短路任何一個(gè)通道里面的一顆LED 能正常工作時(shí)，該三極管射極電壓Ve 將增加3.3V，功耗增加0.4W。當(dāng)設(shè)計(jì)要求短路任何一個(gè)通道里面的兩顆LED 能正常工作時(shí)，該三極管射極電壓Ve 將增加6.6V，功耗增加0.8W ，依此類推，該三極管功耗選擇根據(jù)設(shè)計(jì)要求選擇其最大功率。通過(guò)設(shè)計(jì)Pin27 電壓Vs，當(dāng)三極管射極電壓Ve 增加至大于4Vs 時(shí)，OZ9967 芯片將關(guān)閉該通道防止功率三極管過(guò)熱損壞，其他通道正常工作。

　　五、小結(jié)

　　白光LED 背光源液晶電視的背光驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)關(guān)鍵在于保證每顆LED 正常工作以及調(diào)光時(shí)的電流穩(wěn)定和平衡，以確保白光LED 的優(yōu)良光學(xué)特性，但是由于LED 正向?qū)妷旱娜莶畋容^大，這些電壓容差會(huì)產(chǎn)生多余的功耗需要被吸收。

　　OZ9967 芯片方案利用其外置的功率三極管實(shí)現(xiàn)電流穩(wěn)定和平衡并吸收多余的功耗，芯片本身工作溫度很低，這樣就確保芯片能長(zhǎng)時(shí)間安全穩(wěn)定的工作。經(jīng)過(guò)測(cè)試，該芯片設(shè)計(jì)出的驅(qū)動(dòng)板各項(xiàng)性能全部達(dá)到設(shè)計(jì)要求?？蓪?shí)現(xiàn)PWM 調(diào)光，屏幕無(wú)閃爍。功率器件溫度在60℃以下。