LED驅(qū)動(dòng)器提高TV背光能效技術(shù)解析
根據(jù)加州能源委員會(huì)的資料,現(xiàn)今一臺(tái)電視平均消耗一戶家庭約8—10%的用電量,由此觀之,能源效率顯然已成為電視供應(yīng)商重要設(shè)計(jì)參數(shù)之一,未來電視能源效率的相關(guān)規(guī)范勢(shì)必也更加嚴(yán)格。
本文引用地址:http://butianyuan.cn/article/201612/325389.htm為有效降低電視功率消耗,制造商須達(dá)到法定能源效率基準(zhǔn),而較可行方法是采用LED背光的液晶顯示器(LCD)技術(shù);其他如電漿電視的缺點(diǎn)在于每個(gè)像素都是活躍的光發(fā)射體,加上能量消耗與像素?cái)?shù)量成正比,因此在相同亮度與解析度下,高畫質(zhì)電漿電視平均消耗的能量約為L(zhǎng)CD液晶顯示器的二至三倍。
目前新型的LED驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)技術(shù),可有效節(jié)約主要功率消耗,讓電視制造商能滿足嚴(yán)苛的功率消耗需求,但若要在未來數(shù)年內(nèi)達(dá)到必需的功率消耗目標(biāo),現(xiàn)今LED背光液晶電視仍會(huì)面臨諸多困難。
電視功率消耗標(biāo)準(zhǔn)日趨嚴(yán)格
首先針對(duì)電視功率消耗做出規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)的是美國環(huán)保署于2008年啟動(dòng)的“能源之星”v3版本,此一4.0版本系2010年5月1日生效,該版本不僅將功率消耗限制降低約40%,也規(guī)范出最高亮度輸出下的對(duì)比度功率消耗上限,能有效防止供應(yīng)商誤導(dǎo)消費(fèi)者。接著,在2011年9月30日生效的5.3版本又再次降低功率消耗限制。由此可見,當(dāng)每次新修訂的法律條文進(jìn)一步降低電視能源消耗時(shí),對(duì)于大尺寸電視的制造商更是嚴(yán)格的挑戰(zhàn)。
不過,自發(fā)性高且極具影響力的“能源之星”并非電視功率消耗的唯一規(guī)范。事實(shí)上,美國加州能源委員會(huì)也于2011年初至2013年間執(zhí)行相關(guān)有效標(biāo)準(zhǔn),禁止未達(dá)到功耗標(biāo)準(zhǔn)的電視在當(dāng)?shù)劁N售。此外,圖1顯示的是電視功率消耗標(biāo)準(zhǔn)的變化,以及2011年LG影院3D電視實(shí)際的消耗功率。
圖1 電視功率消耗范圍示意圖
LED背光劃分直接/間接模式
LED背景燈的能源有30%至70%是來自LCD液晶電視的電源系統(tǒng),此與許多傳統(tǒng)電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)一樣,只要逐步改善能量消耗,就可累積成極大的進(jìn)步。因此,改善背光電源電路,便能大幅提升系統(tǒng)的能源效率。
LED背光照明有兩種應(yīng)用方法,如圖2所示:
圖2 LCD液晶電視可采用兩種LED背光照明設(shè)計(jì)。 .間接背光照明
間接背光照明中,LED配置在螢?zāi)贿吘壱援a(chǎn)生均勻統(tǒng)一的光線。該配置能讓LED即使在最大的40寸電視螢?zāi)灰材苡芯鶆蚬庠矗冶彻鈫卧穸葍H5?10毫米(mm)。
.直接背光照明
直接背光照明系統(tǒng)中,LED燈直接配置在LCD后面,可讓電視具備低功率消耗、高散熱功能外,還能具不受螢?zāi)怀叽缦拗频牧己醚诱剐?,雖然這種面板比間接照明方案要厚,但若采用此種照明配電,最新技術(shù)可使螢?zāi)贿_(dá)到僅8毫米的厚度。直接背光照明最大優(yōu)點(diǎn)在于能夠精準(zhǔn)為局部調(diào)光,同時(shí)也降低功率消耗并提高動(dòng)態(tài)對(duì)比度。
采用多串聯(lián)電路混合架構(gòu) LED照明系統(tǒng)兼顧節(jié)能/成本
系統(tǒng)架構(gòu)的好壞不僅是LED背光驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)的重要因素,也是節(jié)能最關(guān)鍵的所在。設(shè)計(jì)人員正尋求局部控制LED燈串與物料成本間最佳的平衡,控制越多單位的LED,越能降低功率消耗。以下將說明各種串聯(lián)電路架構(gòu)及搭配的電源管理方案。
單串聯(lián)/單DC-DC轉(zhuǎn)換器
舉例來說,開關(guān)模式電源(SMPS)的高效直流對(duì)直流(DC-DC)轉(zhuǎn)換器,系為串聯(lián)的背光LED燈組提供電壓;此外,如圖3所示,燈串尾端則是通過電流槽(Current Sink)調(diào)節(jié)的電流,而電流槽電壓須略高于額定電壓,才能確保LED收到指定電流,降低功率耗損。
圖3 單串聯(lián)/單DC-DC轉(zhuǎn)換器背光系統(tǒng)架構(gòu)
一般而言,電源通用設(shè)計(jì)原理是在電流阱到SMPS間使用反饋回路調(diào)節(jié),但這種反饋回路必定會(huì)在兩個(gè)LED之間的正向電壓(Vf)變動(dòng)。白光LED的標(biāo)準(zhǔn)正向電壓約為3.2伏特(V),而最高電壓范圍為每LED±200毫伏特(mV),因此在一條由十個(gè)LED組成的串聯(lián)電路中,VLED的總電壓為30?34伏特。
DC-DC轉(zhuǎn)換器所需的電壓為:
VDC-DC=VLED+VSINK; VLED=n*Vf(LED)
由于VSINK的電壓為0.5伏特,所以ILED SINK不僅必須將VDC-DC調(diào)節(jié)在30.5?34.5伏特之間,還須考慮LED實(shí)際正向電壓。
多串聯(lián)電路/多DC-DC轉(zhuǎn)換器
基于串聯(lián)的LED數(shù)量與所需輸出電壓成正比,因此單一串聯(lián)LED燈組是不夠的。除此之外,若超過一定輸出/輸入電壓比率(VOUT/VIN Ratio),會(huì)導(dǎo)致SMPS效率急遽下降。綜上所述,LED背光設(shè)計(jì)人員須要使用多個(gè)串聯(lián)電路,以避免SMPS輸出電壓過高。
從圖4可見,最簡(jiǎn)單的方法是復(fù)制單串聯(lián)/單DC-DC轉(zhuǎn)換器拓?fù)?/strong>,讓每個(gè)串聯(lián)電路電壓各自調(diào)節(jié)以提升效率。但如此一來,所有串聯(lián)電路也得各自配備DC-DC控制器、金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效電晶體(MOSFET)、線圈、二極體和輸出電容等材料,總體物料成本也會(huì)隨之提高。雖然設(shè)計(jì)人員或許為求解決問題而減少LED通道數(shù)量,并將所有LED串聯(lián),不過仍會(huì)影響系統(tǒng)的局部調(diào)光;反覆權(quán)衡后,這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)顯然不是最佳解決方法。
圖4 LED串聯(lián)電路各包含獨(dú)立DC-DC轉(zhuǎn)換器,將是一種較高成本的方案。 采用單DC-DC轉(zhuǎn)換器的多串聯(lián)電路
然而,另一種更激進(jìn)的方法是采用單DC-DC轉(zhuǎn)換器的多串聯(lián)電路拓?fù)?圖5),該方法的缺點(diǎn)是SMPS電壓須調(diào)節(jié)到比最高正向電壓高,但同時(shí)表示電流槽的電流必須消散多余電量,這不僅會(huì)產(chǎn)生多余熱量,而且也會(huì)降低效率。
圖5 單DC-DC轉(zhuǎn)換器同時(shí)服務(wù)多個(gè)LED串聯(lián)電路,會(huì)導(dǎo)致其無法充分利用SMPS電壓。
多串聯(lián)電路混合架構(gòu)
該架構(gòu)不僅結(jié)合上述提到的多串聯(lián)電路/多DC-DC轉(zhuǎn)換器架構(gòu)元件,也是效率和成本之間的最佳平衡(圖6)。藉由這個(gè)方案能局部調(diào)節(jié)直接背光照明系統(tǒng),并有效控制DC-DC輸出電壓,因此可以提供最佳能源消耗。此外,圖1由LG提供3D電視32LW550S、42LW650S、47LW650S、55LW650S的數(shù)據(jù),顯示該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)能讓LCD電視達(dá)到高效率。同時(shí),此方案比起多串聯(lián)電路/多DC-DC轉(zhuǎn)換器架構(gòu)更能節(jié)省物料成本。
圖6 混合架構(gòu)能降低物料成本,同時(shí)提升轉(zhuǎn)換效率。
LED亮度/色溫仰賴調(diào)節(jié)電流
上文提到白光LED的正向電壓波動(dòng)是LED制造技術(shù)的特點(diǎn),這也造成不同LED在亮度與色溫的廣泛變化,因此白光LED制造商會(huì)根據(jù)顏色、亮度和正向電壓的不同,對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行分組,將類似產(chǎn)品歸為一類。
不過,電流必須調(diào)節(jié)為特定額定電流,才能形成標(biāo)準(zhǔn)亮度/色彩的LED,所以制造商對(duì)亮度和色溫的規(guī)格說明僅在精確標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)作的條件下有效;在類比調(diào)光中,LED會(huì)在標(biāo)準(zhǔn)額定電流之外運(yùn)作,導(dǎo)致其無法接受色溫變化而使亮度調(diào)配不佳。
準(zhǔn)確調(diào)節(jié)電流 電流槽精準(zhǔn)度至關(guān)重要
LED須要精確調(diào)節(jié)的恒流電源,其驅(qū)動(dòng)器的工作是在開關(guān)打開時(shí)將電流設(shè)為額定值,并在關(guān)閉時(shí)保證電流為0安培(A);負(fù)責(zé)準(zhǔn)確調(diào)節(jié)電流的反饋回路則需要極其精準(zhǔn)的電流槽。如圖7,雖然電流槽有許多種,但因背光電視的電流調(diào)節(jié)要求精準(zhǔn)度誤差須小于0.5%,因此須使用主動(dòng)運(yùn)算放大器設(shè)定LED的電流(ILED Current),才能進(jìn)一步獨(dú)立設(shè)定其電壓(ILED Voltage)。換句話說,使用極精確的運(yùn)算放大器并不難,但當(dāng)背光驅(qū)動(dòng)運(yùn)作中,電流槽的電壓降得很低時(shí)就難以精準(zhǔn)調(diào)節(jié)電流。
圖7 電流槽裝置:精確的電流槽須要使用高精度且偏移補(bǔ)償?shù)倪\(yùn)算放大器。
有鑒于此,電源晶片商如奧地利微電子(ams)設(shè)計(jì)的精準(zhǔn)電流槽LED驅(qū)動(dòng)器,可達(dá)成電流槽驅(qū)動(dòng)器需要最低的漏極電壓(VDS(sat)),以確保飽和區(qū)域內(nèi)電流槽電晶體能準(zhǔn)確運(yùn)作,至于飽和區(qū)域主要為柵源電壓控制輸出電流所應(yīng)用。
此外,VSET和VDS之間的電壓降必須處于低水平,才能提高電流槽的效率。由于LED驅(qū)動(dòng)器內(nèi)建偏移補(bǔ)償功能,因此可將VSET維持在125?250毫伏特的低水平,同時(shí)為高于VDS(sat)的VDS提供150毫伏特的額外電壓差,如此電流槽總計(jì)可達(dá)到約400毫伏特的電壓降。另外,電流槽若由8個(gè)LED構(gòu)成串聯(lián)電路(Vf=8×3.2=25.6伏特),其電流功率消耗損失約為1.5%;若背光LED驅(qū)動(dòng)器沒有包含偏移補(bǔ)償功能,則VSET值將提高,進(jìn)而導(dǎo)致電流槽功率損失更多。
內(nèi)建PWM/SPI LED驅(qū)動(dòng)器調(diào)光效果躍升
如上所述,從LED驅(qū)動(dòng)器到SMPS的反饋回路會(huì)使漏電壓處于最低值。從圖8的左圖可見,輸出電流槽可采用簡(jiǎn)單明確的電流輸出驅(qū)動(dòng)器與外部電容器,也能如同圖8中的右圖使用數(shù)位控制電路設(shè)定釋放次數(shù),并通過數(shù)位類比轉(zhuǎn)換器輸出電流(IDAC)。以上這兩種方法不僅皆能達(dá)到高效率,也可搭配各種電壓反饋的SMPS,依混合架構(gòu)的需求,從多個(gè)驅(qū)動(dòng)器附加反饋線路至同一個(gè)SMPS。
圖8 反饋回路傳送到SMPS的不同方法
除此之外,數(shù)位化應(yīng)用有一些獨(dú)特優(yōu)勢(shì),不僅不需要輸出電容器,還能讓設(shè)計(jì)人員自由定義反饋系統(tǒng)的啟動(dòng)與衰變次數(shù),若選用涵蓋衰減潛伏期及相對(duì)較慢衰減的快速啟動(dòng)次數(shù),將能改善顯示器的表現(xiàn)。而這種優(yōu)勢(shì)在須要迅速改變亮度的場(chǎng)景表現(xiàn)最為明顯,能用來快速消除螢?zāi)粡陌抵寥吝^程中可察覺的亮度瑕疵。圖9是亮度轉(zhuǎn)換的普遍案例,左邊類比方案在LED輸出會(huì)在短時(shí)間內(nèi)變暗,造成螢?zāi)辉龠_(dá)到下一次全亮之前會(huì)明顯地延遲。
圖9 右邊的數(shù)據(jù)反饋回路較左邊的模擬反饋回路,能更快由暗到亮轉(zhuǎn)換。
由于電影和其他影片內(nèi)容是由大量的動(dòng)態(tài)畫面構(gòu)成,因此很容易讓觀眾注意力分散。如能在衰變指令中嵌入上百毫秒的延遲,即可讓數(shù)位調(diào)節(jié)電路中的瑕疵消除。這表示因?yàn)轵?qū)動(dòng)器自動(dòng)延遲電壓的斜線下降,變亮過程被一系列短暫變暗過程打斷,因此第二個(gè)變亮過程將從全亮開始。
另一個(gè)在LED驅(qū)動(dòng)器晶片中有用的整合功能是串列式周邊介面(SPI)。其中,LED以大量相對(duì)較短的串聯(lián)組成直接背光電視,能讓較小區(qū)塊的面板變暗以節(jié)約能源,通常這種組合包含16×16矩陣所排列的兩百五十六通道,且每個(gè)LED均由脈沖寬度調(diào)變(PWM)單獨(dú)配置;但要產(chǎn)生兩百五十六個(gè)含可變PWM寬度與延遲訊號(hào)的通道,即使是對(duì)速度最快的微控制器(MCU)來說,依然是個(gè)極大任務(wù)。
因此,透過這些背光系統(tǒng)能將局部PWM發(fā)生器整合至LED驅(qū)動(dòng)器晶片,這就可以用簡(jiǎn)單的SPI數(shù)據(jù)傳輸來控制亮度(圖10)。在十六個(gè)個(gè)別包含十六通道多驅(qū)動(dòng)晶片構(gòu)成兩百五十六通道的架構(gòu)中,LED通道不僅可以菊鏈SPI訊號(hào)方式配置,還可以傳輸用于VSYNC到前一幅的數(shù)據(jù)。
圖10 SPI傳輸及可程式PWM發(fā)生器
在這種組合中,以400Hz幀速率下通過SPI數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俣瓤梢赃_(dá)到20Mb/秒或50kb/幀。有了能夠彌補(bǔ)局部PWM發(fā)生器延誤、高峰和時(shí)段的延遲,就能在更短時(shí)間內(nèi)依實(shí)際需求將各區(qū)調(diào)暗,因此能以最低的微控制器成本達(dá)到理想的局部調(diào)光效果。
善用環(huán)境光感測(cè)器 LED智慧調(diào)光應(yīng)用更多元
事實(shí)上,這種局部調(diào)光技術(shù)僅適用于直接背光照明系統(tǒng),但仍能應(yīng)用在針對(duì)一定數(shù)量智慧調(diào)光的邊緣照明,特別是在保持白光LED色溫不變的情況下,PWM調(diào)光可調(diào)整亮度。值得注意的是,在該方案中邊緣照明所用的LED并非永久設(shè)定在特定亮度值,而是可以根據(jù)畫面內(nèi)容決定通過脈沖寬度的動(dòng)態(tài)變化。
另一種減少功率消耗的方法是使用環(huán)境光感測(cè)器,如果環(huán)境光較暗,背景燈亮度就會(huì)減弱。并且電視制造商也正在研發(fā)更先進(jìn)的方法,比如攝影鏡頭若能設(shè)計(jì)至螢?zāi)恢?,這樣消費(fèi)者便可以在電視上撥打如Skype的語音電話,此外這些攝影鏡頭也能用來檢測(cè)使用者是否有實(shí)際在看電視,若房里無人在看電視,背景燈即可自動(dòng)調(diào)整亮度至最低水準(zhǔn)。
綜上所述,隨著智慧調(diào)光系統(tǒng)愈趨先進(jìn),將來功率消耗解決方案定能更趨客制化,讓喜歡在弱背光亮度的節(jié)能模式或者全亮度下看電視的使用者都能滿足需求。
評(píng)論