用于降低液晶電視機(jī)功耗的LED驅(qū)動(dòng)技術(shù)

據(jù)超高能效設(shè)備與電器推廣(SEAD)項(xiàng)目估計(jì)，電視機(jī)能耗大約占全球居民消耗電能的3%至8%。由勞倫斯伯克利實(shí)驗(yàn)室開(kāi)展的研究分析認(rèn)為，如果采用更加高效的LED驅(qū)動(dòng)等先進(jìn)技術(shù)，將可以顯著降低電視機(jī)的能耗。

幾乎毫無(wú)疑問(wèn)的是，采用LED背光照明的液晶顯示器(LCD)技術(shù)是達(dá)到權(quán)威機(jī)構(gòu)建議的效率目標(biāo)的唯一可行方法。等離子電視機(jī)的缺點(diǎn)是每個(gè)像素都是有源發(fā)光體，因此其功耗直接正比于像素的數(shù)量。在相同分辨率和亮度條件下，高清等離子電視機(jī)的功耗大約是LCD顯示器的2至3倍。而廣為宣傳的OLED技術(shù)并沒(méi)那么快上市，而且這種“極度前沿的”大屏幕技術(shù)要求的投資額是非常巨大的。然而，采用目前最先進(jìn)的TFT-LCD技術(shù)和具有“智能”直接LED背光照明及局部調(diào)光功能的大顯示屏要比OLED便宜許多，而功耗和圖像質(zhì)量相近。

但目前的液晶電視機(jī)，包括采用LED背光照明的液晶電視機(jī)，仍與它們?cè)诮窈髱啄曛幸_(dá)成的效率目標(biāo)有一定差距。不過(guò)最新的LED驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)技術(shù)具有顯著的節(jié)能效果，在幫助電視機(jī)制造商滿足嚴(yán)格的功耗要求方面可以發(fā)揮較為深遠(yuǎn)的作用。

不斷變化的電視機(jī)功耗標(biāo)準(zhǔn)要求

能源之星電視機(jī)功耗標(biāo)準(zhǔn)是2008年推出的，這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)中的電視機(jī)功耗指標(biāo)每年都會(huì)不斷降低。由于不管多大尺寸的電視機(jī)，目前標(biāo)準(zhǔn)允許的最大功耗都是85瓦，因此對(duì)大屏幕電視機(jī)來(lái)說(shuō)設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)會(huì)更加艱巨。

雖然能源之星是自發(fā)標(biāo)準(zhǔn)，但具有很大的影響力，而且也不是唯一的一種法規(guī)。例如加州能源委員會(huì)就頒布有自己的標(biāo)準(zhǔn)。他們這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)比能源之星標(biāo)準(zhǔn)還要嚴(yán)格，并且具有很大的殺傷力——它禁止在加州地區(qū)銷售不能滿足其能效指標(biāo)的電視機(jī)。在歐洲，相關(guān)法規(guī)也已頒布很多年了，允許對(duì)白色家電的能耗進(jìn)行直接比較(歐盟能源標(biāo)簽)，消費(fèi)者經(jīng)常把它作為購(gòu)買(mǎi)決策的基本依據(jù)。對(duì)電視機(jī)、汽車等產(chǎn)品來(lái)說(shuō)這些法規(guī)現(xiàn)在都是強(qiáng)制性的。

LED背光照明的工作原理

由于LED背光照明功耗約占液晶電視機(jī)整個(gè)系統(tǒng)功耗的30%至70%，因此提高背光照明電路效率對(duì)改進(jìn)系統(tǒng)效率有相當(dāng)大的作用。正如電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)中經(jīng)常遇到的情況那樣，許多不起眼的效率改進(jìn)措施組合在一起可以實(shí)現(xiàn)顯著的節(jié)能效果。

LED背光照明的實(shí)現(xiàn)方式主要有兩種(見(jiàn)圖1)。在間接或邊緣點(diǎn)亮式背光照明方案中，LED放置于屏幕的邊緣，并通過(guò)導(dǎo)光裝置將光線均勻的分布到整個(gè)顯示器。這種方案在大至40英寸的屏幕中具有很好的光學(xué)均勻性，而且背光照明部件的厚度只有5mm至10mm。

圖1：液晶電視機(jī)可以采用兩種LED背光照明方式中的一種。

在直接背照系統(tǒng)中，LED直接布置于LCD的后面，具有低功耗、良好的熱設(shè)計(jì)和優(yōu)秀的可擴(kuò)展性能，特別是對(duì)屏幕尺寸沒(méi)有限制。這種屏的厚度通常要比邊緣點(diǎn)亮型屏厚，但借助于最新的發(fā)光技術(shù)，現(xiàn)在這種顯示器厚度也可以做到8mm了。直接背光照明的一個(gè)重要優(yōu)點(diǎn)是，它可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的局部調(diào)光功能，進(jìn)而降低功耗，提高動(dòng)態(tài)對(duì)比度，使最新的電視機(jī)設(shè)計(jì)能與OLED相媲美。

LED背照系統(tǒng)的架構(gòu)選擇

設(shè)計(jì)師一般會(huì)根據(jù)最大限度地節(jié)省能耗和顯著增強(qiáng)圖像質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)來(lái)選擇LED背照驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的架構(gòu)。另外，設(shè)計(jì)師也希望能在本地控制LED串和最低的材料清單(BOM)成本之間取得最佳平衡。

單串和單個(gè)DC/DC轉(zhuǎn)換器

這種方案用開(kāi)關(guān)電源(SMPS)給成串放置的背照LED提供電壓，并用電流槽來(lái)調(diào)節(jié)流經(jīng)LED串的電流。為了盡量降低功耗，ILED電流槽處的電壓要求比必需電壓高一點(diǎn)，以便保證LED能夠接收到規(guī)定的電流(見(jiàn)圖2)。

圖2：?jiǎn)未蝹€(gè)DC/DC轉(zhuǎn)換器的背照系統(tǒng)架構(gòu)。

常見(jiàn)的設(shè)計(jì)方法是建立一個(gè)從ILED電流槽到開(kāi)關(guān)電源的反饋路徑，用于調(diào)節(jié)開(kāi)關(guān)電源的輸出電壓。這條反饋路徑建立后就允許不同LED之間存在的正向電壓(Vf)變化。白色LED的Vf典型值約為3.2V，但不同LED的變化可能高達(dá)±200mV。因此，在有10個(gè)LED的串中，總的VLED電壓值可能在30V至34V范圍內(nèi)。

DC/DC轉(zhuǎn)換器要求的輸出電壓可以表示為：

假設(shè)VSINK為0.5V，那么ILED電流槽必須將VDC-DC調(diào)整到30.5V至34.5V范圍內(nèi)，具體取決于實(shí)際的LED正向電壓。

多串和多個(gè)DC/DC轉(zhuǎn)換器

單串的LED很少能夠滿足要求，因?yàn)殡S著串中LED數(shù)量的增加，DC/DC轉(zhuǎn)換器的輸出電壓也要隨之增加。在VOUT/VIN超過(guò)某個(gè)比值后，開(kāi)關(guān)電源的效率會(huì)急劇下降。因此LED背光設(shè)計(jì)師可以使用多個(gè)LED串來(lái)避免開(kāi)關(guān)電源輸出過(guò)高的電壓。

最簡(jiǎn)單的方法是每個(gè)串復(fù)制單個(gè)串單個(gè)DC/DC轉(zhuǎn)換器的拓?fù)?見(jiàn)圖3)。這種方法的優(yōu)勢(shì)是效率高，因?yàn)槊總€(gè)串的電壓可以單獨(dú)調(diào)節(jié)。缺點(diǎn)是成本高，因?yàn)槊總€(gè)串需要自己的DC/DC轉(zhuǎn)換器、MOSFET、線圈、二極管和輸出電容。為了節(jié)省BOM成本，設(shè)計(jì)師可以通過(guò)使用長(zhǎng)串來(lái)減少LED通道的數(shù)量，即在每個(gè)串中使用更多的LED。但這種方法會(huì)犧牲系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)局部調(diào)光的能力，而這是另外一種重要的節(jié)能技術(shù)。因此這種拓?fù)洳还茉鯓幼儞Q都不會(huì)特別吸引人。

圖3：每個(gè)LED串使用單獨(dú)的DC/DC轉(zhuǎn)換器是一種昂貴的方案。

多個(gè)串使用一個(gè)DC/DC轉(zhuǎn)換器

多個(gè)串加上單個(gè)DC/DC轉(zhuǎn)換器的拓?fù)涫墙档虰OM成本的一種更好方法(見(jiàn)圖4)。該方法的缺點(diǎn)是，開(kāi)關(guān)電源的電壓必須調(diào)節(jié)到高過(guò)具有最大正向電壓的那個(gè)LED串，這意味著系統(tǒng)的工作電壓要高于具有較低正向電壓的那些串所必需的電壓，也即意味著ILED電流槽必須從具有較低正向電壓的LED串上消耗過(guò)多的功率，這會(huì)產(chǎn)生必須從電路板散發(fā)的過(guò)多熱量，從而降低能效。

圖4：采用一個(gè)DC/DC轉(zhuǎn)換器接多個(gè)LED串的拓?fù)鋾r(shí)，開(kāi)關(guān)電源的電壓無(wú)法做到最優(yōu)。

多串混合架構(gòu)

整合了多串部件和多個(gè)DC/DC轉(zhuǎn)換器的架構(gòu)可以在效率和BOM成本之間提供最佳平衡。這種混合架構(gòu)(見(jiàn)圖5)有多個(gè)DC/DC轉(zhuǎn)換器為L(zhǎng)ED串組供電。

圖5：混合架構(gòu)可以在BOM成本和能效之間達(dá)到最佳平衡。

這種解決方案可以提供最高的總體能效，因?yàn)樗狭酥苯颖痴障到y(tǒng)中的局部調(diào)光優(yōu)勢(shì)和良好的DC/DC輸出電壓調(diào)節(jié)功能，而且還可以通過(guò)高效的多個(gè)串、多個(gè)DC/DC轉(zhuǎn)換器架構(gòu)提供真正的BOM節(jié)省。

調(diào)節(jié)電流以匹配LED的特性

LED制造工藝會(huì)造成不同LED之間的亮度和色溫有很大的變化。為了方便用戶，白色LED制造商會(huì)將每個(gè)制造的單元分配到在顏色、亮度和正向電壓方面性能相當(dāng)?shù)腖ED組或“箱”。但制造商針對(duì)每個(gè)亮度和色溫箱制訂的規(guī)格只在特定標(biāo)稱工作條件下才有效。這意味著LED電流必須設(shè)置為數(shù)據(jù)手冊(cè)中規(guī)定的標(biāo)稱電流才能產(chǎn)生規(guī)定的亮度和顏色。

結(jié)果是，只能通過(guò)數(shù)字PWM控制信號(hào)將任何一個(gè)LED的電流切換到導(dǎo)通(標(biāo)稱電流)或關(guān)斷(零電流)狀態(tài)才能實(shí)現(xiàn)調(diào)光和亮度控制功能。在模擬調(diào)光時(shí)，LED將工作在規(guī)定的標(biāo)稱電流范圍之外，這將導(dǎo)致不可接受的色溫變化和不良的LED至LED亮度匹配(見(jiàn)圖6)。

圖6：來(lái)自相同箱的LED亮度只有在標(biāo)稱電流時(shí)才能保證匹配(本例中為20mA)。

電流槽特性

由于LED要求完全穩(wěn)定的恒流電源，因此LED驅(qū)動(dòng)器的主要作用只需是在導(dǎo)通時(shí)將電流設(shè)為標(biāo)稱值，在關(guān)斷時(shí)將電流設(shè)為0A。這樣，控制調(diào)節(jié)精度的反饋環(huán)路要求使用特別精密的電流槽(見(jiàn)圖7)。

雖然市場(chǎng)上有各種電流槽設(shè)計(jì)，但電視機(jī)背光照明的高精度要求(電流調(diào)整率高于±0.5%)需要使用精密運(yùn)放來(lái)設(shè)置獨(dú)立于ILED電壓的ILED電流。但在背光照明驅(qū)動(dòng)器應(yīng)用中，任務(wù)更具挑戰(zhàn)性，因?yàn)榧词闺娏鞑鄣碾妷航档偷椒浅Ｐr(shí)也必須保持電流調(diào)整的精度。

這是一個(gè)很難滿足的要求，但AMS公司提供的四代高精度電流槽LED驅(qū)動(dòng)器——AS369x、AS381x、AS382x、AS385x就是特別針對(duì)這種應(yīng)用設(shè)計(jì)的。這些器件也采用了偏移補(bǔ)償式運(yùn)放。電流槽驅(qū)動(dòng)器要求漏極處于最小電壓值(VDS(sat))，以便確保電流槽晶體管在飽和區(qū)內(nèi)具有完整的精度并能夠正確地工作。在飽和區(qū)內(nèi)，柵極-源極電壓主要用于控制輸出電流。

如果想要電流槽高效率地工作，VSET和VDS之間的壓降要低，這一點(diǎn)很重要。采用運(yùn)放并內(nèi)置偏移抵消功能的LED驅(qū)動(dòng)器可以保持VSET電平低至125mV至250mV。要想使VDS具有超過(guò)VDS(sat) 150mV的額外余量，電流槽的總壓降必須在400mV左右。對(duì)于具有8個(gè)LED的串來(lái)說(shuō)(此時(shí)Vf?= 8 x 3.2 = 25.6 V)，ISINK中的功率損失約為1.5%。當(dāng)AMS背光LED驅(qū)動(dòng)器中不包含偏移抵消功能時(shí)，VSET的值將更高，這將使電流槽的功率損失更多。

圖7：電流槽設(shè)計(jì);精密電流槽要求使用帶偏移補(bǔ)償功能的精密運(yùn)放。

用于優(yōu)化功耗的反饋調(diào)節(jié)機(jī)制

如上所示，從LED驅(qū)動(dòng)器到開(kāi)關(guān)電源建立的反饋路徑將漏極電壓設(shè)置為最低要求值。輸出電流槽可以用簡(jiǎn)單且成熟的電流輸出驅(qū)動(dòng)器加上一個(gè)外部電容來(lái)實(shí)現(xiàn)(見(jiàn)圖9中的左圖)，或者使用能夠設(shè)定啟動(dòng)/釋放時(shí)間并用數(shù)模轉(zhuǎn)換器控制電流輸出的數(shù)字控制電路來(lái)實(shí)現(xiàn)(IDAC)(見(jiàn)圖8中的右圖)。

圖8：至開(kāi)關(guān)電源的反饋環(huán)路的兩種不同實(shí)現(xiàn)方法。

這兩種解決方案都具有很高的效率，能使用各種帶電壓反饋環(huán)路的開(kāi)關(guān)電源，而且都可以通過(guò)將反饋回路從不止一個(gè)驅(qū)動(dòng)器連接到同一開(kāi)關(guān)電源來(lái)實(shí)現(xiàn)，這正是混合架構(gòu)系統(tǒng)的要求。

然而，第二種數(shù)字實(shí)現(xiàn)方法具有一些特定的優(yōu)勢(shì)。除了同樣不要求使用輸出電容外，這種數(shù)字電路還能讓設(shè)計(jì)師自由地定義反饋系統(tǒng)的啟動(dòng)和釋放時(shí)間。通過(guò)選擇快速啟動(dòng)時(shí)間以及釋放延時(shí)和相對(duì)緩慢釋放的組合，可以顯著提高顯示器的性能。這種好處在要求快速改變亮度的場(chǎng)合特別明顯。在這種情況下，當(dāng)屏幕從黑暗改變到全亮?xí)r，快速啟動(dòng)時(shí)間可以消除可覺(jué)察的亮度瑕疵。模擬解決方案(見(jiàn)圖8)是在很短的暗幀期間逐漸調(diào)節(jié)LED輸出的，因此下一個(gè)亮幀達(dá)到全亮?xí)袀€(gè)可見(jiàn)的延遲。

這個(gè)現(xiàn)象會(huì)讓電視觀眾分心，因?yàn)殡娪昂推渌曨l內(nèi)容的幀與幀之間有很大的動(dòng)態(tài)范圍。這種瑕疵可以用數(shù)字調(diào)節(jié)電路來(lái)消除，方法是在釋放操作中插入幾百毫秒的延時(shí)。這樣，當(dāng)亮幀被一系列短的暗幀中斷時(shí)，第2個(gè)亮幀將從全亮?xí)r開(kāi)始，因?yàn)轵?qū)動(dòng)器會(huì)自動(dòng)延遲電壓下降過(guò)程。AMS產(chǎn)品中就使用了能夠?qū)崿F(xiàn)釋放延遲的數(shù)字反饋算法。

LED驅(qū)動(dòng)器IC中集成的另外一個(gè)有用功能是快速串行外設(shè)接口(SPI)。在直接背照電視機(jī)中，LED被安排在大量相對(duì)短的串中，因此小尺寸的顯示屏可以通過(guò)調(diào)暗光線達(dá)到節(jié)能的效果。通常這種安排在16x16的場(chǎng)矩陣中包含256個(gè)通道，每個(gè)通道可以通過(guò)脈寬調(diào)制(PWM)單獨(dú)配置。但利用可變PWM寬度和延時(shí)產(chǎn)生256個(gè)PWM信號(hào)是一個(gè)極耗處理器資源的任務(wù)，即使是最快的微控制器也會(huì)不堪重負(fù)。

因此這些背光照明系統(tǒng)都是使用集成在LED驅(qū)動(dòng)器IC中的PWM發(fā)生器，這樣就可以通過(guò)簡(jiǎn)單的SPI數(shù)據(jù)傳輸來(lái)配置亮度。在具有多個(gè)驅(qū)動(dòng)器IC的架構(gòu)中(如每個(gè)IC有16個(gè)通道，總共16個(gè)IC有256個(gè)通道)，LED通道可以通過(guò)建立SPI信號(hào)菊花鏈并將VSYNC幀中使用的數(shù)據(jù)傳輸?shù)角耙粠M(jìn)行配置。

在這種方案中，通過(guò)SPI的數(shù)據(jù)傳輸速度可以達(dá)到20Mb/s，或在400Hz幀速率時(shí)達(dá)到50kb/幀。這個(gè)速度足夠快到以同步實(shí)際幀的速度改變每個(gè)場(chǎng)的調(diào)光效果。因此只需很少的微控制器開(kāi)銷就可以實(shí)現(xiàn)理想的局部調(diào)光功能。

邊緣照明系統(tǒng)的智能調(diào)光功能

這種局部調(diào)光技術(shù)只能用在直接背照系統(tǒng)中，不過(guò)在邊緣照明系統(tǒng)中也可以實(shí)現(xiàn)一些特定的智能調(diào)光技術(shù)。尤其是PWM調(diào)光，它能在不改變白色LED的色溫條件下改變亮度。與讓邊緣照明LED永久設(shè)為一個(gè)特定的亮度值不同，這時(shí)的亮度可以通過(guò)改變脈沖寬度來(lái)動(dòng)態(tài)改變。

還有一種節(jié)能技術(shù)叫動(dòng)態(tài)亮度調(diào)節(jié)(DLS)。采用這種技術(shù)后，LCD的白色/亮度值可以在某些場(chǎng)合增加，從而允許降低背光LED的功率輸出。

使用環(huán)境光線傳感器(ALS)是另外一種降低功耗的方法。如果放置電視機(jī)的室內(nèi)光線相當(dāng)暗，可以減小背光燈亮度(見(jiàn)圖9)

圖9：使用智能LED驅(qū)動(dòng)器和智能ALS傳感器的節(jié)能方法。

電視機(jī)制造商正在研究更為復(fù)雜的方法。舉例來(lái)說(shuō)，照相機(jī)開(kāi)始進(jìn)入顯示器設(shè)計(jì)中，它能讓消費(fèi)者在電視機(jī)上使用視頻電話服務(wù)，如Skype。這些照相機(jī)還可以用來(lái)檢測(cè)是否確實(shí)有人在看電視。如果電視機(jī)開(kāi)著，但房間里沒(méi)人，可以自動(dòng)將背光燈降低到最低亮度。

甚至還可以實(shí)現(xiàn)定制的能耗模式。雖然你可能喜歡在降低背光照明亮度的能源友好生態(tài)模式下觀看電視，但家里的其它成員可能喜歡高亮觀看。

總之，通過(guò)實(shí)現(xiàn)目前先進(jìn)的高效LED驅(qū)動(dòng)技術(shù)可以達(dá)到顯著的節(jié)能效果。由于更加嚴(yán)格的法規(guī)在不斷降低新款電視機(jī)允許消耗的最大功率，這種技術(shù)的重要性將越來(lái)越突出。