驅(qū)動新技術(shù)有助于降低LCD電視功耗

似乎毫無疑問，采用LED背光的液晶技術(shù)是達(dá)到官方所倡議能效目標(biāo)的唯一可行途徑。等離子電視技術(shù)存在以下缺點(diǎn)：每個像素都是有源的光發(fā)射器發(fā)光體，電視屏幕的像素數(shù)量直接決定了電視機(jī)的耗電量。在屏幕分辨率和亮度相同的情況下，高清等離子電視的耗電量是液晶電視的2倍~3倍。

根據(jù)近期報道，之前備受推崇的OLED(有機(jī)發(fā)光二極管)技術(shù)難以快速推廣。因?yàn)檫@種大屏幕電視尖端技術(shù)需要巨額投資。不過，如果大型顯示面板采用目前最先進(jìn)TFT-LCD技術(shù)以及帶局部調(diào)光的“智能”直接LED背光，則成本遠(yuǎn)低于OLED，而功耗與圖像質(zhì)量毫不遜色。目前生產(chǎn)的LCD電視(即使是采用了LED背光)仍然難以達(dá)到未來幾年設(shè)定的節(jié)能要求。然而，LED驅(qū)動器電路的設(shè)計(jì)新技術(shù)有望大幅降低功耗，使電視機(jī)生產(chǎn)商滿足嚴(yán)苛的功耗要求。

電視機(jī)功耗標(biāo)準(zhǔn)不斷提高

電視機(jī)標(biāo)準(zhǔn)(如能源之星)于2008年開始制定，之后標(biāo)準(zhǔn)當(dāng)中規(guī)定的電視機(jī)耗電量逐年遞減。當(dāng)前標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，現(xiàn)在任何尺寸屏幕的最大功耗為85W。這個標(biāo)準(zhǔn)給大屏幕電視的設(shè)計(jì)帶來了更大的挑戰(zhàn)。

能源之星是一項(xiàng)針對高能效消費(fèi)產(chǎn)品的國際標(biāo)準(zhǔn)，具有很大的影響力。生產(chǎn)商可以自行決定是否遵從該標(biāo)準(zhǔn)。此外，類似的標(biāo)準(zhǔn)還有很多。例如，美國加利福尼亞州能源委員會就自行制定了一套功耗標(biāo)準(zhǔn)，并于2011年開始生效。加利福尼亞州能源委員會制定的這套能耗標(biāo)準(zhǔn)比能源之星的標(biāo)準(zhǔn)還要嚴(yán)格，該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定：不符合能耗標(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)品禁止在加利福尼亞州銷售。

在歐洲，多年來規(guī)定已經(jīng)允許對白色家電的功耗做直接比較(歐盟功耗標(biāo)簽)，消費(fèi)者可以用它作為購買決策的依據(jù)。這些規(guī)定現(xiàn)在已成為電視、汽車和家用電器的強(qiáng)制標(biāo)準(zhǔn)。

LED背光

在LCD電視的總耗電量中，LED背光組件的耗電量占其中的30%~70%。因此，要降低整臺電視機(jī)的耗電量，首先要設(shè)法降低LED背光組件的耗電量。有時候，只要稍微提高某些組件的運(yùn)行效率，設(shè)備的總能耗就會大幅降低，這種情況在電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)領(lǐng)域極為常見。

實(shí)現(xiàn)LED背光的方式有兩種(如圖1所示)：間接式背光和直下式背光。如果使用間接背光技術(shù)(也稱為側(cè)光式背光)，LED排列在屏幕的邊沿。一個光導(dǎo)將光源均勻地分配到整個屏幕。這種結(jié)構(gòu)對60英寸以內(nèi)的屏幕有良好的光照一致性，能夠?qū)崿F(xiàn)厚度僅為5mm~10mm的背光單元。

圖1: LED背光在LCD電視中可以通過兩種方式實(shí)現(xiàn)：間接式背光(也稱為側(cè)光式背光，如圖a所示)和直下式背光(如圖b所示)。

如果使用直下式背光技術(shù)，LED則直接排列在LCD屏幕后方，這種方式不僅耗電少易散熱，而且還具有很好的擴(kuò)展性，尤其是對屏幕尺寸沒有限制。與側(cè)光式背光相比，直下式背光技術(shù)的LCD屏幕一般更厚一些。但隨著光分布技術(shù)的進(jìn)步，現(xiàn)在有些屏幕厚度已經(jīng)降至8mm。直下式背光的一個突出優(yōu)勢是可以實(shí)現(xiàn)完美的局部調(diào)光。局部調(diào)光既可以降低電視耗電量也可以提高動態(tài)對比度，從而使最新的電視設(shè)計(jì)能與OLED電視相媲美。

系統(tǒng)架構(gòu)

對一個LED背光驅(qū)動系統(tǒng)架構(gòu)的選擇能夠最大程度地節(jié)約能耗，大大提高圖像質(zhì)量。設(shè)計(jì)人員要在LED串的局部控制與最小材料清單(BOM)之間找到一個最佳平衡點(diǎn)。

在一個單串、單DC/DC轉(zhuǎn)換器的背光系統(tǒng)中，開關(guān)電源(SMPS)為排列成串的背光LED提供電源。一個電流阱用于調(diào)節(jié)通過LED串的電流。為了盡量降低耗電量，ILED阱的電壓必須略微高于所需電壓，以保證LED獲得其規(guī)定的電流(如圖2所示)。

圖2: 為了盡量降低單串、單DC/DC變換器背光系統(tǒng)的功耗，ILED阱的電壓必須略高于所需電壓，以保證LED獲得規(guī)定的電流。

為了達(dá)到上述要求，通常需要在ILED宿和SMPS之間布一個反饋電路對SMPS輸出的電壓進(jìn)行調(diào)節(jié)。這個反饋電路必須能夠承受LED之間正向電壓(VF)的波動。一般情況下，流向白光LED的額定正向電壓約為3.2V，浮動范圍為±200mV。因此，如果一串LED串中含有10個LED，該LED串的總額定電壓(VLED總量)則為30V~40V。

DC/DC轉(zhuǎn)換器的所需電壓可以表示為：VDC-DC=VLED+VSINK，其中VLED=n×VF (LED)。假設(shè)VSINK為0.5V，則ILED阱需將VDC-DC的范圍調(diào)節(jié)在30.5V~34.5V之內(nèi)，具體取決于實(shí)際的LED正向電壓。

單串LED一般都不適合，因?yàn)殡S著串內(nèi)LED數(shù)量增多，所需要的輸出電壓也隨之增加。超過了一定的VOUT/VIN比率后，SMPS的效率就會大幅下降。為了防止SMPS輸出的電壓過高，LED背光系統(tǒng)設(shè)計(jì)者一般會使用多個LED串。

最簡單的方法是為各個串完全重復(fù)這種單串、單DC/DC轉(zhuǎn)換器結(jié)構(gòu)(圖3)。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是效率，因?yàn)槊看甃ED的電壓都可以單獨(dú)調(diào)節(jié)。而缺點(diǎn)則是成本較高， 因?yàn)槊看甃ED都需要自己的DC/DC轉(zhuǎn)換器、MOSFET、線圈、二極管，以及輸出電容。為了節(jié)省BOM成本，設(shè)計(jì)者可以減少LED通道的數(shù)量，而采用單串上多LED的長串。但這種辦法也會影響系統(tǒng)的局部調(diào)光功能，而局部調(diào)光正是降低電視耗電量的另外一種重要技術(shù)。因此，這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)劣折中并不具備太大的吸引力。

圖3: 每個LED串都配備單獨(dú)的DC/DC轉(zhuǎn)換器，這是成本較高的選擇。

降低BOM成本的一個更有效的辦法是，采用多LED串+單DC/DC轉(zhuǎn)換器的結(jié)構(gòu)(圖4)。但這種方法也有自身的缺點(diǎn)，即SMPS輸出的電壓要調(diào)節(jié)在高于LED串的最大正向電壓，這意味著，其工作電壓要高于那些有較低正向電壓串的電壓需求。結(jié)果，ILED阱必須消耗掉額定電壓較低LED串的多余電壓，產(chǎn)生的熱量必須從電路板傳導(dǎo)出去，而且降低了功率效率。

圖4: 多個LED串配備一個DC/DC轉(zhuǎn)換器，則SMPS電壓不是最優(yōu)。

在效率與BOM成本之間取得最佳平衡的架構(gòu)是：將前述多串與多DC/DC轉(zhuǎn)換器架構(gòu)的元素結(jié)合起來。這種混合架構(gòu)(圖5)有多只DC/DC轉(zhuǎn)換器，為成組的LED串供電。

圖5: 混合架構(gòu)方案獲得了BOM與功率效率之間的最佳平衡。

這種多串的混合架構(gòu)方案可提供最好的整體能效，因?yàn)樗嬗兄毕率奖彻庀到y(tǒng)的局部調(diào)光與良好DC/DC輸出電壓調(diào)節(jié)的優(yōu)點(diǎn)。另外，它的BOM成本也大大低于等效的多串與多DC/DC轉(zhuǎn)換器架構(gòu)。

電流調(diào)節(jié)

因?yàn)樯a(chǎn)工藝關(guān)系，廠家生產(chǎn)出各支LED的亮度和色溫都有較大的差異。為便于用戶使用，白光LED廠家將具有相近性能的LED(如顏色、亮度與正向電壓)按組為單位(或“批次”，bin)做歸類。但是，廠家是根據(jù)特定標(biāo)稱工作條件對每只LED的亮度和色溫進(jìn)行劃分。這意味著，要使LED發(fā)出特定的亮度和顏色，通過LED的電流必須設(shè)定為數(shù)據(jù)表中注明的標(biāo)稱電流。

因此，只有通過一個數(shù)字PWM控制信號，切換送給任何on(有標(biāo)稱電流)或off(零電流)單只LED的電流，才能實(shí)現(xiàn)調(diào)光和對亮度的控制。如果使用模擬調(diào)光，LED將工作在超出其指定標(biāo)稱電流的范圍內(nèi)，這會產(chǎn)生不可接受的色溫變化，以及各只LED之間的亮度匹配不良(圖6)。

圖6: 同一批次LED的亮度只確保在標(biāo)稱電流下的匹配(在本例中，為20mA。)

電流阱性能

LED工作時需要一個完全穩(wěn)定的恒流電源，于是，LED驅(qū)動器的主要功能就是：當(dāng)LED點(diǎn)亮?xí)r將電流調(diào)至標(biāo)稱值；在LED關(guān)閉時將電流調(diào)至0A。因此，用于控制調(diào)節(jié)精度的反饋回路就需要一個高精度的電流阱(圖7)。

因?yàn)殡娏髭宓脑O(shè)計(jì)樣式很多，根據(jù)電視背光的精度需求，要用一個精密運(yùn)放獨(dú)立設(shè)定ILED電流，而與ILED電壓無關(guān)。但背光驅(qū)動應(yīng)用的任務(wù)要更為艱巨，因?yàn)榧词乖陔娏髭宓碾娏髯兊脴O低的水平時，也必須維持電流調(diào)節(jié)的精確度。

要達(dá)到這個要求