大功率LED作為大屏幕液晶顯示器背光的電流分配問題解決方案
因?yàn)槔潢帢O熒光燈(CCFL)成本非常低，通常大屏幕液晶顯示器(LCD)使用CCFL作為背光源產(chǎn)生均勻的白光。不過將發(fā)光二極管(LED)用作背光燈正在引起主要制造商們的注意。LED在尺寸、能量效率、光譜純度、機(jī)械強(qiáng)度、可靠性和消除汞等有害物質(zhì)方面都勝過CCFL。
白光可以來自單個(gè)白色LED；也可以由三個(gè)獨(dú)立的色譜與LCD像素色彩濾波器非常匹配的R-G-B LED產(chǎn)生。該技術(shù)可以大幅提高發(fā)光效率和色彩范圍，從而使顯示效果更加清晰、鮮艷。目前采用CCFL背光燈的LCD只能產(chǎn)生70-80%的NTSC制顏色，而采用LED背光燈的新型顯示器可以產(chǎn)生NTSC制式中定義的所有顏色，甚至還能產(chǎn)生NTSC定義范圍之外的顏色。利用LED超快的開關(guān)時(shí)間，背光強(qiáng)度可以被調(diào)節(jié)，從而進(jìn)一步增強(qiáng)圖像對(duì)比度，減少快速運(yùn)動(dòng)圖像產(chǎn)生的拖尾現(xiàn)象。
想在小屏幕LCD監(jiān)視器(一般是19英寸)中替換CCFL，可以在外殼四周部署三色LED器件來代替CCFL管。通常只是光源被更換(從CCFL到LED串)，外殼、光導(dǎo)和光膜可以保持不變。而對(duì)較大尺寸的LCD(20英寸以上)而言，由于要求較高的光通量，可以在LCD面板背后直接部署LED矩陣，并使必要的擴(kuò)散層和光膜夾在這些LED矩陣之間。 LED矩陣大小隨面板尺寸而變，一般為幾百個(gè)LED。為了確保均勻的照明，需要在標(biāo)準(zhǔn)的光膜上使用專門的衍射散射層。隨著技術(shù)的進(jìn)步，半導(dǎo)體芯片的輸出亮度會(huì)越來越高，因此串聯(lián)式或矩陣式LED中的LED數(shù)量可以變少，從而進(jìn)一步降低材料和系統(tǒng)成本。
然設(shè)計(jì)師還必須面對(duì)諸多的挑戰(zhàn)，比如在溫度變化和LED逐漸老化的情況下保持光譜的一致性。不過這種技術(shù)是很有前途的。一些主要的筆記本電腦制造商正計(jì)劃推出更多采用LED背光燈的產(chǎn)品。大屏幕電視機(jī)制造商也已經(jīng)在這方面投入大量資源，因此LED背光燈有望在消費(fèi)類市場(chǎng)中越來越流行。
最近在背光燈面板技術(shù)方面有所突破，已經(jīng)可以在LCD的背光面板中使用最新推出的高亮度白色LED。這些新的LED需要封裝尺寸非常小、功率達(dá)200W的4V直流電源。這種設(shè)計(jì)采用的是一家非上市公司發(fā)明的專利技術(shù)，這家公司致力于開發(fā)和銷售創(chuàng)新的高動(dòng)態(tài)范圍(HDR)圖像技術(shù)。這種技術(shù)可以用來制造更高亮度的顯示器。通過使用增強(qiáng)型視頻處理算法調(diào)整LED的亮度，所發(fā)出的亮度可以比傳統(tǒng)的LCD高10倍。背光燈中的每個(gè)LED都是獨(dú)立可尋址的，因此光強(qiáng)度可以逐幀甚至逐個(gè)微區(qū)域地動(dòng)態(tài)改變。這種技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)更高動(dòng)態(tài)范圍的顯示器，與以前技術(shù)相比可以使黑的地方更黑，亮的地方更亮，從而顯著提高圖像的清晰度。該技術(shù)已經(jīng)在一些高端成像設(shè)備使用的大屏幕顯示器(37和46英寸高清晰顯示器)中得到應(yīng)用。
這些新的LED需要封裝尺寸非常小、功率可達(dá)200W的4V直流電源。以前的產(chǎn)品都是使用一個(gè)500A的5.5V電源，在顯示器中處理這么大的電流分配非常困難。中轉(zhuǎn)總線變換器(BCM) 是一種V·I晶片模塊，設(shè)計(jì)用于大功率LED應(yīng)用以解決電流分配問題。BCM采用了Vicor公司獲得專利的正弦幅度轉(zhuǎn)換器(SAC)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，具有先進(jìn)的功率密度、效率和低噪聲性能。BCM的外形尺寸只有1.1平方英寸，典型重量為15克，可以提供一個(gè)隔離和降壓電壓供非隔離負(fù)載點(diǎn)轉(zhuǎn)換器(niPOL)使用。由于它具有快速響應(yīng)和低的輸出噪聲，負(fù)載端常用的壽命有限的鋁電解或鉭電容可以被減少或取消，從而有效節(jié)省電路板面積、材料和總體系統(tǒng)成本。
現(xiàn)在系統(tǒng)可以用更低的電流分配48V電壓到任意位置，然后再局部降壓至大電流的4V。每塊大板上有4塊小板組成1個(gè)系統(tǒng)，因此每個(gè)系統(tǒng)中總共有16個(gè) BCM。結(jié)果是每塊板運(yùn)行于200A、4V的電源。相反，如果系統(tǒng)由一個(gè)大電源支持，它需要一個(gè)800A的電源，當(dāng)然這樣的電源是很危險(xiǎn)的。這就是為何 20A的48V電壓被分配到各個(gè)板的原因，這種電源具有更高的可管理性和相當(dāng)好的熔斷性。
BCM因?yàn)橐韵聨状笠蛩囟蔀榍‘?dāng)?shù)慕鉀Q方案。首先是BCM的尺寸和效率，它不需要使用任何專門的散熱器。其次，它工作在48V的安全電壓(SELV)。BCM還能提供針對(duì)不同應(yīng)用優(yōu)化了的不同標(biāo)準(zhǔn)的輸出電壓。通常上述應(yīng)用中的系統(tǒng)輸入電壓需要調(diào)整到4.1V至4.2V的工作電壓。由于BCM是一種轉(zhuǎn)換器而不是一種穩(wěn)壓器，設(shè)計(jì)師可以使用高達(dá)48V的輸入電壓來獲得他們所需的指定輸出電壓。
其它背光方案要求用恒定電流來驅(qū)動(dòng)串連著的大功率LED陣列。一般來說，恒定電流是用來確保可預(yù)測(cè)的發(fā)光亮度和色度值。V·I晶片非隔離預(yù)穩(wěn)壓模塊 (PRM)穩(wěn)壓器和倍增電流電壓轉(zhuǎn)換模塊(VTM)電壓變換器雖然主要設(shè)計(jì)用于利用自適應(yīng)環(huán)路穩(wěn)壓方法提供穩(wěn)定的電壓，但也可通過簡(jiǎn)單的電路修改而達(dá)至恒定的輸出電流。
與傳統(tǒng)方法相比，使用PRM和VTM提供恒定電流具有許多優(yōu)點(diǎn)。在系統(tǒng)中使用VTM可以倍增負(fù)載點(diǎn)的電流，VTM的輸出電流正比于它的輸入電流(如以下公式1所示)。
其中K是VTM的K系數(shù)，或簡(jiǎn)單地將其稱之為降壓比。
因此在受控的電流應(yīng)用中，可以通過檢測(cè)和調(diào)節(jié)VTM的輸入電流來控制其輸出電流。檢測(cè)更低的電流需要更小的傳感器，從而消耗更低的功率，提高總體效率。另外，V·I晶片本身也具有很高的效率和功率密度，使得整個(gè)LED系統(tǒng)體積小、溫度低，并能使每瓦功耗得到的輸出流明數(shù)最大。
大多數(shù)已知的LED類型可以用單個(gè)PRM+VTM對(duì)驅(qū)動(dòng)。PRM用內(nèi)部電壓環(huán)路預(yù)先進(jìn)行配置，以便將PRM的輸出電壓調(diào)整到一個(gè)設(shè)定值。PRM的內(nèi)部工作原理應(yīng)該非常好理解，因?yàn)橥獠亢懔麟娐肥窃O(shè)計(jì)與內(nèi)部電壓控制環(huán)路一起工作的，可以通過改變PRM電壓參考值來調(diào)節(jié)VTM的輸出電流。
PRM內(nèi)部電壓控制環(huán)路的簡(jiǎn)化框圖如圖1所示。內(nèi)部參考通過一個(gè)10k的電阻和0.22uF的電容連接到PRM的SC端口，用于實(shí)現(xiàn)軟啟動(dòng)功能。SC電壓可以通過增加外部電阻或施加外部電壓進(jìn)行調(diào)整。SC端口處加的電壓不應(yīng)超過6Vdc。
SC電壓經(jīng)緩沖后通過電阻分壓器反饋給誤差放大器，其中電阻分壓器被表示為0.961的增益塊。R68形成了電壓檢測(cè)電阻分壓器的上半部分。這個(gè)電阻對(duì)每個(gè)PRM來說都是固定的。分壓器的下半部分是通過在OS引腳和SG(ROS)之間增加一個(gè)電阻形成的。公式1將PRM輸出定義為VSC和ROS的函數(shù)。從公式1可以看出，對(duì)于給定的ROS電阻，調(diào)整SC電壓可以確定PRM輸出電壓。這就是外部電流控制電路控制輸出所采用的方法。
其中：VSC是PRM的SC引腳處的電壓，ROS是OS與PRM的SG之間的電阻，R68是PRM內(nèi)部電阻。
推薦的電流控制電路如圖2所示。由于VTM是一個(gè)電流乘法器，VTM的輸出電流可以由它的輸入電流進(jìn)行調(diào)節(jié)。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是可以在VTM電流乘法電路之前(在更高的電壓點(diǎn))檢測(cè)電流，從而減少外部分流電路的I2R功耗。另外，控制電路保持在主電路(PRM)側(cè)，因此無需隔離反饋信號(hào)。
上述電路由電壓參考、分流電阻、差分放大器和誤差放大器組成。低端檢測(cè)電路是在PRM輸出端用配置為差分放大器的一個(gè)運(yùn)放實(shí)現(xiàn)的。分流電阻(R1)上的電壓經(jīng)檢測(cè)并被放大電阻R2到R5確定的增益倍數(shù)。參考電壓使用精確可調(diào)的分流參考產(chǎn)生，并連接到誤差放大器的同相端子。這是誤差放大器用以與差分放大器輸出(VSENSE)比較的電壓。誤差放大器的輸出(VEAO)經(jīng)過電阻R7和R8連接到SC，從而實(shí)現(xiàn)PRM輸出設(shè)置點(diǎn)的調(diào)整。誤差放大器將調(diào)整PRM輸出電壓，直到VSENSE等于參考電壓VREF。這將迫使VTM輸入電流以及VTM輸出電流成為由VREF確定的常數(shù)。
帶一個(gè)簡(jiǎn)單的外部電流檢測(cè)電路的PRM可以用作恒流源。VTM將分比式總線電壓變換為從0.8到55V的適合不同顏色LED的電壓(例如，6V用于藍(lán)色LED、14V用于琥珀色，24V用于綠色)
分比式電源架構(gòu)(FPA)的靈活性允許相同的PRM驅(qū)動(dòng)用于不同顏色LED的不同VTM(不同的K因子)，同時(shí)由于只使用另外一個(gè)PRM模型，在不同的輸入源電壓下相同的VTM可以保持不變。另外，VTM可以放置在大電流的負(fù)載點(diǎn)旁以盡量減少電壓下降和功耗。
在上游增加一個(gè)帶高壓BCM總線轉(zhuǎn)換器(380V)的PFC前端后，就能向下游中的PRM/VTM或BCM提供一條48V總線，用于驅(qū)動(dòng)針對(duì)不同顏色(低功率LED)的LED驅(qū)動(dòng)器。這將成為一個(gè)PFC交流到直流電源，可向0.8V到55V的大功率LED陣列供電。
48V到4V BCM是一種高效率(>94%)、窄輸入范圍的正弦幅度轉(zhuǎn)換器，采用了新型的直流-直流轉(zhuǎn)換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，可以用來給非隔離式POL轉(zhuǎn)換器供電，或用作一個(gè)獨(dú)立源。BCM非常小，面積只有1.1in2每平方英寸功率達(dá)210W，而且重量輕，只有0.5盎司，但功率密度可達(dá)876W/in3
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