用于降低液晶電視機功耗的LED驅(qū)動技術(shù)

 據(jù)超高能效設(shè)備與電器推廣(SEAD)項目估計，電視機能耗大約占全球居民消耗電能的3%至8%。由勞倫斯伯克利實驗室開展的研究分析認為，如果采用更加高效的LED驅(qū)動等先進技術(shù)，將可以顯著降低電視機的能耗。

幾乎毫無疑問的是，采用LED背光照明的液晶顯示器(LCD)技術(shù)是達到權(quán)威機構(gòu)建議的效率目標的唯一可行方法。等離子電視機的缺點是每個像素都是有源發(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，包括采用LED背光照明的液晶電視機，仍與它們在今后幾年中要達成的效率目標有一定差距。不過最新的LED驅(qū)動電路設(shè)計技術(shù)具有顯著的節(jié)能效果，在幫助電視機制造商滿足嚴格的功耗要求方面可以發(fā)揮較為深遠的作用。

不斷變化的電視機功耗標準要求

能源之星電視機功耗標準是2008年推出的，這個標準中的電視機功耗指標每年都會不斷降低。由于不管多大尺寸的電視機，目前標準允許的最大功耗都是85瓦，因此對大屏幕電視機來說設(shè)計挑戰(zhàn)會更加艱巨。

雖然能源之星是自發(fā)標準，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就頒布有自己的標準。他們這個標準比能源之星標準還要嚴格，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的電視機。在歐洲，相關(guān)法規(guī)也已頒布很多年了，允許對白色家電的能耗進行直接比較(歐盟能源標簽)，消費者經(jīng)常把它作為購買決策的基本依據(jù)。對電視機、汽車等產(chǎn)品來說這些法規(guī)現(xiàn)在都是強制性的。

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整個系統(tǒng)功耗的30%至70%，因此提高背光照明電路效率對改進系統(tǒng)效率有相當大的作用。正如電源系統(tǒng)設(shè)計中經(jīng)常遇到的情況那樣，許多不起眼的效率改進措施組合在一起可以實現(xiàn)顯著的節(jié)能效果。

LED背光照明的實現(xiàn)方式主要有兩種(見圖1)。在間接或邊緣點亮式背光照明方案中，LED放置于屏幕的邊緣，并通過導光裝置將光線均勻的分布到整個顯示器。這種方案在大至40英寸的屏幕中具有很好的光學均勻性，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)計和優(yōu)秀的可擴展性能，特別是對屏幕尺寸沒有限制。這種屏的厚度通常要比邊緣點亮型屏厚，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重要優(yōu)點是，它可以實現(xiàn)復(fù)雜的局部調(diào)光功能，進而降低功耗，提高動態(tài)對比度，使最新的電視機設(shè)計能與OLED相媲美。

LED背照系統(tǒng)的架構(gòu)選擇

設(shè)計師一般會根據(jù)最大限度地節(jié)省能耗和顯著增強圖像質(zhì)量標準來選擇LED背照驅(qū)動系統(tǒng)的架構(gòu)。另外，設(shè)計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DC/DC轉(zhuǎn)換器

這種方案用開關(guān)電源(SMPS)給成串放置的背照LED提供電壓，并用電流槽來調(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，以便保證LED能夠接收到規(guī)定的電流(見圖2)。

圖2：單串、單個DC/DC轉(zhuǎn)換器的背照系統(tǒng)架構(gòu)。

常見的設(shè)計方法是建立一個從ILED電流槽到開關(guān)電源的反饋路徑，用于調(diào)節(jié)開關(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±200mV。因此，在有10個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)，具體取決于實際的LED正向電壓。

多串和多個DC/DC轉(zhuǎn)換器

單串的LED很少能夠滿足要求，因為隨著串中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超過某個比值后，開關(guān)電源的效率會急劇下降。因此LED背光設(shè)計師可以使用多個LED串來避免開關(guān)電源輸出過高的電壓。

最簡單的方法是每個串復(fù)制單個串單個DC/DC轉(zhuǎn)換器的拓撲(見圖3)。這種方法的優(yōu)勢是效率高，因為每個串的電壓可以單獨調(diào)節(jié)。缺點是成本高，因為每個串需要自己的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)計師可以通過使用長串來減少LED通道的數(shù)量，即在每個串中使用更多的LED。但這種方法會犧牲系統(tǒng)實現(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)。因此這種拓撲不管怎樣變換都不會特別吸引人。

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

多個串使用一個DC/DC轉(zhuǎn)換器

多個串加上單個DC/DC轉(zhuǎn)換器的拓撲是降低BOM成本的一種更好方法(見圖4)。該方法的缺點是，開關(guān)電源的電壓必須調(diào)節(jié)到高過具有最大正向電壓的那個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串上消耗過多的功率，這會產(chǎn)生必須從電路板散發(fā)的過多熱量，從而降低能效。

圖4：采用一個DC/DC轉(zhuǎn)換器接多個LED串的拓撲時，開關(guān)電源的電壓無法做到最優(yōu)。

多串混合架構(gòu)

整合了多串部件和多個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)(見圖5)有多個DC/DC轉(zhuǎn)換器為LED串組供電。

圖5：混合架構(gòu)可以在BOM成本和能效之間達到最佳平衡。

這種解決方案可以提供最高的總體能效，因為它整合了直接背照系統(tǒng)中的局部調(diào)光優(yōu)勢和良好的DC/DC輸出電壓調(diào)節(jié)功能，而且還可以通過高效的多個串、多個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制造商會將每個制造的單元分配到在顏色、亮度和正向電壓方面性能相當?shù)腖ED組或“箱”。但制造商針對每個亮度和色溫箱制訂的規(guī)格只在特定標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)手冊中規(guī)定的標稱電流才能產(chǎn)生規(guī)定的亮度和顏色。

結(jié)果是，只能通過數(shù)字PWM控制信號將任何一個LED的電流切換到導通(標稱電流)或關(guān)斷(零電流)狀態(tài)才能實現(xiàn)調(diào)光和亮度控制功能。在模擬調(diào)光時，LED將工作在規(guī)定的標稱電流范圍之外，這將導致不可接受的色溫變化和不良的LED至LED亮度匹配(見圖6)。

圖6：來自相同箱的LED亮度只有在標稱電流時才能保證匹配(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)動器的主要作用只需是在導通時將電流設(shè)為標稱值，在關(guān)斷時將電流設(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(見圖7)。

雖然市場上有各種電流槽設(shè)計，但電視機背光照明的高精度要求(電流調(diào)整率高于±0.5%)需要使用精密運放來設(shè)置獨立于ILED電壓的ILED電流。但在背光照明驅(qū)動器應(yīng)用中，任務(wù)更具挑戰(zhàn)性，因為即使電流槽的電壓降低到非常小時也必須保持電流調(diào)整的精度。

這是一個很難滿足的要求，但AMS公司提供的四代高精度電流槽LED驅(qū)動器——AS369x、AS381x、AS382x、AS385x就是特別針對這種應(yīng)用設(shè)計的。這些器件也采用了偏移補償式運放。電流槽驅(qū)動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，這一點很重要。采用運放并內(nèi)置偏移抵消功能的LED驅(qū)動器可以保持VSET電平低至125mV至250mV。要想使VDS具有超過VDS(sat) 150mV的額外余量，電流槽的總壓降必須在400mV左右。對于具有8個LED的串來說(此時Vf?= 8 x 3.2 = 25.6 V)，ISINK中的功率損失約為1.5%。當AMS背光LED驅(qū)動器中不包含偏移抵消功能時，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;精密電流槽要求使用帶偏移補償功能的精密運放。

用于優(yōu)化功耗的反饋調(diào)節(jié)機制

如上所示，從LED驅(qū)動器到開關(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單且成熟的電流輸出驅(qū)動器加上一個外部電容來實現(xiàn)(見圖9中的左圖)，或者使用能夠設(shè)定啟動/釋放時間并用數(shù)模轉(zhuǎn)換器控制電流輸出的數(shù)字控制電路來實現(xiàn)(IDAC)(見圖8中的右圖)。

圖8：至開關(guān)電源的反饋環(huán)路的兩種不同實現(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)路的開關(guān)電源，而且都可以通過將反饋回路從不止一個驅(qū)動器連接到同一開關(guān)電源來實現(xiàn)，這正是混合架構(gòu)系統(tǒng)的要求。

然而，第二種數(shù)字實現(xiàn)方法具有一些特定的優(yōu)勢。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)計師自由地定義反饋系統(tǒng)的啟動和釋放時間。通過選擇快速啟動時間以及釋放延時和相對緩慢釋放的組合，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合特別明顯。在這種情況下，當屏幕從黑暗改變到全亮時，快速啟動時間可以消除可覺察的亮度瑕疵。模擬解決方案(見圖8)是在很短的暗幀期間逐漸調(diào)節(jié)LED輸出的，因此下一個亮幀達到全亮會有個可見的延遲。

這個現(xiàn)象會讓電視觀眾分心，因為電影和其它視頻內(nèi)容的幀與幀之間有很大的動態(tài)范圍。這種瑕疵可以用數(shù)字調(diào)節(jié)電路來消除，方法是在釋放操作中插入幾百毫秒的延時。這樣，當亮幀被一系列短的暗幀中斷時，第2個亮幀將從全亮時開始，因為驅(qū)動器會自動延遲電壓下降過程。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)動器IC中集成的另外一個有用功能是快速串行外設(shè)接口(SPI)。在直接背照電視機中，LED被安排在大量相對短的串中，因此小尺寸的顯示屏可以通過調(diào)暗光線達到節(jié)能的效果。通常這種安排在16x16的場矩陣中包含256個通道，每個通道可以通過脈寬調(diào)制(PWM)單獨配置。但利用可變PWM寬度和延時產(chǎn)生256個PWM信號是一個極耗處理器資源的任務(wù)，即使是最快的微控制器也會不堪重負。

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

在這種方案中，通過SPI的數(shù)據(jù)傳輸速度可以達到20Mb/s，或在400Hz幀速率時達到50kb/幀。這個速度足夠快到以同步實際幀的速度改變每個場的調(diào)光效果。因此只需很少的微控制器開銷就可以實現(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，不過在邊緣照明系統(tǒng)中也可以實現(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)為一個特定的亮度值不同，這時的亮度可以通過改變脈沖寬度來動態(tài)改變。

還有一種節(jié)能技術(shù)叫動態(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。如果放置電視機的室內(nèi)光線相當暗，可以減小背光燈亮度(見圖9)

圖9：使用智能LED驅(qū)動器和智能ALS傳感器的節(jié)能方法。

電視機制造商正在研究更為復(fù)雜的方法。舉例來說，照相機開始進入顯示器設(shè)計中，它能讓消費者在電視機上使用視頻電話服務(wù)，如Skype。這些照相機還可以用來檢測是否確實有人在看電視。如果電視機開著，但房間里沒人，可以自動將背光燈降低到最低亮度。

甚至還可以實現(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，通過實現(xiàn)目前先進的高效LED驅(qū)動技術(shù)可以達到顯著的節(jié)能效果。由于更加嚴格的法規(guī)在不斷降低新款電視機允許消耗的最大功率，這種技術(shù)的重要性將越來越突出。