强化LED背光应用效能 时间延迟滞后式电流控制技术问世

【Peter Green/Odile Ronat】


液晶显示器(LCD)的背光板对电力消耗、影像画质以及面板寿命都有相当大的影响，虽然发光二极管(LED)背光数组已经在这些方面有所改善，但若需要稳定的光度输出、均衡色彩，以及更佳散热等传统限流电阻无法达到的功能，就须导入强化的LED电流控制技术。本文提出一种“时间延迟滞后式电流控制(Time Delay Hysteretic Current Control)”的新技术，同时具备精确与高弹性，并能够以单一芯片实现高达5瓦(W)与1.5安培(A)的LED控制。

平面显示器在许多情况下须要支持多重运作模式 、数据显示、高分辨率图像、全动态视频或高画质影像等，最近由Lumileds所提出的分析报告指出，不同的模式需要不同的背光特性来提供最佳的影像画质，例如当执行个人计算机Windows应用程序时，背光的最佳色温大约在9,600K，而播放电影时则最好采用大约在6,500K范围的色温灯光，相对于传统的冷阴极灯管(CCFL)，采用LED数组可以更容易地进行背光特性的控制以及最佳化，除此之外，LED也带来更低的耗电、发热以及更长的寿命，同时由于不须使用变频器，更可简化电路设计并降低噪声。

LCD面板所采用的LED背光透过使用红、绿与蓝光LED高效率地耦合到导光板上来产生白色背光，调整各个不同颜色的输出可以让设计工程师精确控制背光的特性，带来更丰富的色彩输出并取得色温、波长与发光的更佳控制，更可以利用这个弹性提供更生动的显示输出来强化使用体验。

高亮度LED背光的电源要求

由于每颗LED所发出的亮度以及色彩直接与流经LED本身的电流相关，因此要发挥LED背光的完整优势，就须要进行电流的精密控制，然而，这对传统使用限流电阻的方式来说，不容易达成，特别是背光应用中所使用的高亮度LED在正向压降上有很大的差异，例如Lumileds公司Luxeon III的数据规格书上显示，额定为3.70伏特(V)的正向电压可能会在3.03～4.47伏特间变化，此外温度也会造成影响，例如相同产品的正向电压温度系数为-2mV/℃。

当考虑采用Luxeon DCC数组做为LCD背光应用的情况下，每个数组由1或多串以各自颜色串接的Luxeon LED所组成，其中一个型号为LXHL MGEA的产品就是由两串以5颗红光LED、两串以及11颗绿光LED及两串以4颗蓝光LED的组合所组成。电源的要求以能够提供红、绿与蓝光LED串各个独立通道定电流，并且能够调整到最佳光度输出特性，同时满足各LED串最大正向电压规格要求为目标，以LXHL MGEA数组中的绿色LED串为例，这代表总线电压(VBus)要求最小要有40.5伏特加上安全的富裕空间。

如果这类LED串的电流只透过一颗电阻来控制，那么在生产时正向电压的差异以及因温度所引起的变化将对运作效率带来影响，甚至造成LED背光的误动作。以由额定正向电压在3.7伏特的6颗高亮度LED串为例，在24VDC总线电源下透过2.57Ω电阻稳压，将消耗750毫安的电流，整体运作效率为92.5%，不过如果LED是在正向电压最低的情况下发光，那么电流将提升到2.4安培，效率则下滑到76%，反之在最高正向电压下，高亮度LED串的整体压降将高于总线电压，因此造成高亮度LED无法发光。

定电流控制降低输出电流变化

一个较高效率且精确的解决方案是采用高电压直流转直流(DC/DC)降压型转换器，包含一个连接总线电源(Vbus)与高亮度LED的高电压端开关或金属氧化半导体场效晶体管及高亮度LED与接地间的感测电阻，这须在高电压端加入浮动开关的组态，以便直接持续监控负载电流并加以调整。

在正常运作情况下，输出电流透过IFB接脚上的回授电压来加以调整，通常为0.5伏特，当VIFB低于参考电压(VIFBTH)时，高电压端MOSFET导通，高亮度LED由直流总线供电，同时在IFB接脚电压上升过程将能量储存在LC谐振电路中，当IFB接脚上的电压达到临界值VIFBTH时，高电压端的MOSFET便会在内建电路的固定时间延迟后断开。

这时电路会开始释放出事先储存的能量来提供高亮度LED电源，而当IFB接脚上电压下滑到固定临界点时，MOSFET会再次导通，但内建的固定电路时间延迟会让VIFB在MOSFET实际导通并且让系统进行重复周期动作前低于临界值。

藉由此固定时间延迟的帮助，电路的持续切换动作可以让流经高亮度LED的电流维持在一个可以用VIFBTH(通常为0.5伏特)和RCS感测电阻间比率计算得出的IOUT(AVG)平均电流输出值，只要由LC所组成的输出谐振电路可以维持IFB接脚上的低涟波(通常低于0.1伏特)即可。图3a与图3b描述了使用固定时间延迟滞后式电流控制可以达到的超低输出电流变化，显示出在总线电压位于40～170伏特输入电压时，1,400毫安运作下变动在±0.3%以内，而在15～30伏特电压下，1,400毫安输出时的变动更小于±0.1%。

此电路同时也限制了尖峰电流，因此可以搭配使用小型MOSFET以及小型电感，提供精准且多样性的高效率控制解决方案，让设计工程师可利用新一代高亮度LED背光技术强化LCD显示质量。

值得注意的是，此方法同时也免除固定频率振荡器的需求，因为芯片会持续将负载电流与临界值比较，并依结果进行MOSFET的切换控制，频率可以自由选择并依LC以及输出入电压而定，因此此电路不仅能对生产时的差异与温度飘移进行补偿，同时还可应用在宽广的输出入电压范围，以及不同的高亮度LED串或数组组态上。

背光之外的高亮度LED

控制亦相当适合

在单一芯片上实现连续模式时间延迟滞后式降压型稳压器，为高功率LED定电流控制带来单芯片的解决方案，以国际整流器公司的IRS2540与IRS2541为例，分别可由200伏特与600伏特的额定电源电压运作，不管是由直流总线或直接交流电供电的情况下，每个组件都能提供高功率LED串的精密电流控制，相较于传统转换器，可节省体积与成本。

该两款组件中所采用的时间延迟滞后式电流控制，相当适合用来控制新一代高亮度LED在各种应用中的发光强度、运作模式以及色彩等特性，而不局限在LCD面板的背光，目前市场上高亮度LED可以达到大约5瓦以及1.5安培的规格输出，这将有助设计工程师将LED应用在广告招牌、建筑照明、装饰照明、娱乐应用、车用照明以及其它领域。

(本文作者任职于国际整流器公司)