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白光LED背光源调光方案解析

2014-05-02 17:11
雷本祖
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     目前众多内建显示器的电子装置皆采用WLED型背光。若未确实了解各种方法的实作方式及优缺点,并不易找到正确的LED调光方法。本文会先简略说明LED的供电方式,接着分述两种LED调光方法和其优缺点。透过这些信息,便能选择适当的调光方法与LED驱动IC进行应用。

  配置电压调节转换器达成WLED供电
 
  WLED亮度会随着通过的电流而呈现直线变化,为使得各串行达到最佳的WLED电流准确度及一致性亮度,LED驱动器应调节通过LED的电流电 压,而非调节LED两端的电流电压。图1显示如何在输出大于LED正向电压的总和且电压(VLED)下降情况下,重新设定任何可调整输出的电流调节直流对 直流(DC-DC)转换器成为稳定电源,以驱动串联的多颗WLED。
 
  调节电流侦测电阻(RSENSE)两端的电压(VSENSE)而非输出电压(VO)之后,驱动器便成稳定电源,使得VO可随着由电压和温度所产 生的ΣVLED变化自行调整。WLED的电压降幅范围为3~4伏特,此一降幅受到LED电流的直接影响,且与温度成反比关系。最近的低功耗驱动器将外部侦 测电阻置换为一个或多个电流汲入,尤其是单结型场效应晶体管(FET)(图2)。
 
  驱动器有两种功能,不仅能够调整汲入FET的驱动电压以达到通过汲入FET的适当电流(相对于偏压电流),且能够调整整合式DC-DC转换器 (一般为升压转换器)的输出功率,使得FET具有该电流所需的最低汲源极电压。这类含有整合式升压转换器及八个整合式电流汲入的驱动器,其中一例为 TPS61195。
 
  消弭噪音为PWM调光首要课题
 
  为提升显示效果,并优化不同环境照明亮度的LED驱动器效率,较新型LED背光电子装置能达到较大的调光范围。有两种方法可用于LED调光:脉冲宽度调变(PWM)调光及模拟调光(图3)。
 
  为了进行PWM调光,数字信号处理器(DSP)或微控制器(MCU)会传送不同负载周期(D)的PWM讯号,以针对图1所示的驱动器启用及停用 WLED驱动器的转换器,或针对图2所示的驱动器启用及停用电流汲入。因此,通过WLED串行的平均电流等于负载周期乘以最大电流,亦即ILEDavg = D×ILEDmax。
 
  由于通过LED的最大电流都相同,因此PWM调光结果会呈现出相当线性的亮度变化。另外,由于LED发光的光谱会因电压降幅而产生变化,而电压 降幅会因维持最大值的ILED而产生变化,因此LED背光的色度(亦即色彩、色相或实际达到白光的程度)在采用PWM调光时可达到绝佳效果。
 
  PWM调光的关键缺点是噪音。若PWM讯号被用于启用与停用转换器,驱动器的调光比例上限会受到启动转换器、输出电容充电及达到个别最大电流需 要的时间所限制。即使WLED驱动器能够使转换器在1MHz以上的切换频率运作,转换器的控制回路响应时间及/或启动时间亦需要数百微秒至数毫秒的时间。 因此,为了让驱动器有时间达到最大电流,PWM调光频率仅能系数百Hz。
 
  陶瓷输出电容的压电性会造成电容以PWM讯号频率在可听见噪音的范围(20k~20kHz)内进行充电及放电,此时电容便会振动,且电容和印刷电路板会因为振动而产生杂音。振动的程度、电压变化的振幅及陶瓷电容封装尺寸呈正比,因此缩小电容封装尺寸可减少杂音。
 
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