LED背光光源技术

LED背光光源技术

在以LED作为背光光源的小尺寸LCD产品中，侧面发光再加上光导板的发光模式已成为主要的背光光源系统，不过其光的利用率仅为50%，但因背光光源在面板侧面，所以背光模块的厚度可控制得与CCFL不相上下，整体系统的重量也相对高出许多。而在大尺寸的LCD背光光源中，为了增加光的利用率，采用直下型的背光模式，将使光的利用率提升至70%，但相对厚度也由29nm增加到50nm。

在直下型背光光源中，LED的排列方式对其混色效果与散热性的影响必须折中考虑，如图1所示。LED的配置越紧密，RGB混色的效果也越佳，但LED的散热性能将下降；若LED排列得较为稀疏，就会降低RGB的混色效果，而LED的散热性能提高。因此，如何设计出混色效果良好的LED排列与容易实现的散热设计，是LED排列设计中需折中考虑的问题。

图1 直下型背光光源中LED的排列方式

1、 LED背光照明系统

LED正成为中小型彩色显示器背光照明应用的主流器件。LED的选择是决定显示子系统设计最佳性价比的关键因素。设计便携式LED驱动电路时，一般考虑成本和性能因素。系统设计的一个约束条件是可用电池功率和电压，其他约束条件还包括功能特性，例如针对环境光线作出调整及建立LED的架构。

LED可根据不同参数（包括正向电压及特定正向电流时的色度和亮度）进行筛分。如白光LED的正向电压通常为3.5~4V，典型工作电流为15~20mA。当多只LED应用在一个背光照明设备中时，这些LED通常都会进行匹配，以产生均匀的亮度。因此，LED制造商所提供的经“差异筛选”或匹配的LED，在某个特定电压范围内其V_F或其他参数都是匹配的。这些V_F的差异通常为3.5V~3.65V、3.65~3.8V，以及3.8~4.0V，最新的LED产品的正向电压为3V。低V_F值的LED适用于小型显示器，至于较大的彩色显示器通常需要较高的亮度，一般采用中或高V_F值的LED。

一般来说，LED的V_F值是系统设计的重要参数。因为由普通电池供电的便携式产品（如移动电话）使用单一的锂离子电池，其电压范围为2.7~4.2V。如果将系统对电池工作电压的要求设计为不低于3V，设计中就可以直接使用低至3V且未经稳压的电池电压来驱动LED。

将多只LED连接在一起使用时，正向电压和电流均必须匹配，整个组件才能产生一致的亮度。实现恒定电流最简单的方法是将经过正向电压筛选的LED串联起来。LED经匹配的差异级别包括发光强度和色度，其中色度决定显示的颜色，大多与计所使用的半导体工艺有关。电气工作条件对色度的影响很小。对于发光强度而言，筛选工艺可测量在给定正向工作电流下的发光强度。

目前，市场上已有能够驱动多只LED的驱动集成电路，其功能包括电压提升以至驱动多只串联的LED，以便与每列包含一只或多只LED的阵列进行电流匹配。特定驱动集成电路可提供独立于LED正向电压V_F的精确电流匹配，采用LED亮度控制功能，有助于提供更多功能和改善电源管理。

2、 白光LED背光电源解决方案

近来，随着无线通信产品的方案，彩我LCD显示屏逐步引入移动电话和PDA等产品中，白光LED为这种应用提供了完美的背光方案。然而，由于单节锂离子电池的典型电压为3.6V，最高电压为4.2V，而白光LED在20mA电流时，其正向电压典型值为3.5V，最大值为4V,因此单节锂离子电池不能直接驱动白光LED。因此，许多移动电话和PDA厂家一直在寻找经济、高效的白光LED升压背光电源解决方案。

图2描述了用DC/DC升压转换器MAX1848为三只白光LED供电的方案。MAX1848采用恒流方式驱动2~3只白光LED，适合于移动电话、PDA等便携式产品。该升压转换器包括一个高电压、低导通电阻的N沟道MOSFET开关，可以取得较高的转换效率，最大限度地延长电池的使用寿命。模拟电压双模式输入端为亮度调节及开关控制提供了简便的途径，该输入端也可以通过输入PWM波形、外加一个RC滤波器实现控制。1.2MHz的电流模式PWM控制技术使得控制器外部可以采用很小的输入、输出电容器和小型电感器，并将输入电压纹波降至最小。可编程软启动功能消除了启动期间的输入浪涌电流。MAX1848采用了节省体积的SOT-23封装或超小型UCSP封装。

图2 用MAX1848为三只白光LED供电的方案

在图2所示电路中，MAX1848外部需要一个小型电感、一个二极管、一个检流电阻和三个电容。该方案的总成本比MAX684电荷泵方案稍高，但它的转换效率却高得多。当驱动三只串联的白光LED时，需要的输出功率为

P_OUT=3.1×3×15=139.5mW

MAX1848的转换效率为

η=P_OUT/（P_OUT+P_MAX1848+P_VD1） (1)

式中：P_MAX1848是MAX1848消耗的功率：P_OUT为输出功率；P_VD1是在肖特基二极管VD1上消耗的功率。

表1所列数据是利用MAX1848评估板测量得到的实际数据。从表1中可以看出，采用MAX1848的方案的效率比MAX684高出15%~25%，具体数据与输入电压有关。

因此，当输入电压为3.6V时，采用MAX1848的方案需要的输入功率为

P_IN=9.32×15/0.8529≈164（mW）

当输入电压为4.2V时，采用MAX1848的方案需要的输入功率为

P_IN=9.32×15/0.8539≈163.7（mW）

MAX684电荷泵供电方案所需外部元件少，成本也较低；而MAX1848电感升压方案需要的输入功率低得多，最大限度地延长了电池的使用寿命。在图2所示电路中，允许LED采用串联结构，保证所有LED的电流相同、亮度相同，同时还消除了并联结构中的限流电阻。MAX1848还有一个重要特性，即输出过压保护，避免了由于偶然因素而在LED未被连接时输出电压过高导致LED损坏。MAX1848方案同样适合于其他采用小型彩色LCD显示屏的便携式产品。

3、 控制LED亮度的方法

把红光和绿光LED放在一起作为一个像素制作的显示屏叫双色屏或彩色屏；把红光、绿光、蓝光三种LED放在一起作为一个像素的显示屏叫三色屏或全彩屏。制作室内LED屏的像素尺寸一般是2~10mm，常常把几种能产生不同基色的LED管芯封装成一体；室外LED屏的像素尺寸多为12~26mm，每个像素由若干个各种单色LED组成，常见的成品称像素筒。双色像素筒一般由三红二绿组成，三色像素筒用二红一绿一蓝组成。

无论用LED制作单色、双色或三色屏，若欲显示图像，需要构成像素的每只LED的发光亮度都必须能调节，其调节的精细程度就是显示屏的亮度等级。亮度等级越高，显示的图像就越细腻，色彩也越丰富，相应的显示控制系统也越复杂。一般256级亮度的图像，颜色过渡已十分柔和，而16级亮度的彩色图像，颜色过渡界线十分明显。所以，彩色LED屏当前都要求做成256级亮度的。LED亮度的控制方法有以下两种：

① 改变流过LED的电流。一般LED允许连续工作的电流在20mA左右，除了红光LED有饱和现象外，其他LED的亮度基本上与流过的电流成比例。

② 利用人眼的视觉惰性，用脉宽调制方法来实现亮度控制，也就是周期性地改变脉冲宽度（即占空比），只要这个重复点亮的周期足够短（即刷新频率足够高），人眼就感觉不到发光像素在抖动。由于脉宽调制更适合于数字控制，所以采用微机来提供LED显示内容的显示屏都采用脉宽调制方式来控制亮度等级的。

LED的控制系统通常由主控箱、扫描板和显控装置三大部分组成。主控箱从计算机的显示卡中获取一屏像素的各色亮度数据，然后重新分配给若干块扫描板，每块扫描板负责控制LED屏上的若干行（列），而每一行（列）上LED的显示控制信号则用串行的方式传送。目前有两种串行传送显示控制信号的方式，其中一种方法是在扫描板上集中控制各像素点的亮度，扫描板将来自控制箱的各行像素的亮度值进行分解（即脉宽调制），然后将各行LED的开通信号以脉冲形式（点亮为1，不亮为0）按行用串行方式传输到相应的LED上，控制其是否点亮。这种方式所用器件较少，但串行传输的数据量较大，因为一个重复点亮的周期内，每个像素在16级亮度下需要16个脉冲，在256级亮度下需要256个脉冲。由于器件工作频率的限制，一般只能使LED屏做到16级亮度。

另一种方法是扫描板串行传输的内容不是每只LED的开关信号而是一个8位二进制的亮度值。每只LED都有一个自己的脉宽调制器来控制点亮时间。这样，在一个重复点亮的周期内，每个像素点在16级亮度下只需要4个脉冲，在256级亮度下只需8个脉冲，大大降低了串行传输频率。用这种分散控制LED亮度的方法可以很方便地实现256级亮度控制。

在任何计算装置中，对显示器的要求都比较严格，小型（2~4英寸）彩色TFT显示屏在手持设备中较为通用，显示器电源可能消耗电池的绝大部分能量。采用TFT显示器需要将很大一部分能量用于背光。与CCFL和EL背光光源相比，白光LED由于其出色的效率和简单的驱动电路，在小型TFT显示器背光照明中得到广泛应用。白光LED具有较高的正向电压（3.0~4.0V），常常需要一个升压电路。该升压电路采用电荷泵结构或基于电感的设计，背光效率由显示器工作的频繁程度决定。图3给出了两种选择方案，基于电感的设计可提供最佳的转换效率，并在电池将要耗尽时仍可保持恒定的LED亮度；电荷泵器件的成本较低，但效率也较低。

图3 两种通用的白光LED驱动方案

4、 降低列驱动器功耗及提高性能的解决方案

平板显示器的清晰度及刷新率不断提高，使扫描线的刷新率也越来越高，而这方面的要求又与系统设计尽量节省系统用电的要求有直接的矛盾。美国国家半导体公司专有的智能型电荷共用技术不但可以降低功耗，而且又提高列驱动器的输出性能。只要按照正确的方法使用，智能型电荷共用技术可将列驱动器的功耗减少达40%，而且又可缩短输出的稳定时间。

（1） 智能型电荷共用技术的工作原理

智能型电荷共用技术的工作原理是它将储存在薄膜晶体管（TFT）液晶显示器（LCD）各行扫描线内的能量重新分配，并且无需耗用电力便可驱动各行扫描线至其最终数值的一半。这种技术之所以能够发挥这样的成效，完全是因为每一相间有一半扫描线的电压比V_COM高，而另一半扫描线的电压比V_COM低。

图4和图5显示了智能型电荷共用技术的基本工作过程。在这个示例之中，平板显示器的每行扫描线可视为大约等于列驱动器的输出放大器上的RC电路负载的总和。为方便进行量化分析，各行扫描线应作为分散负载处理，由于现在只用作解释电荷共用的工作原理，因此可当作相加负载处理。

图4 在共用电荷之前瞬间的扫描线电压

图5 共用电荷时扫描线的电压

图4显示了开始共用电荷之前瞬间的情况。每一相间扫描线的电压分别处于V_COM之上及之下。列驱动器内设有一系列的开关，可将所有扫描线连成短路。在共用电荷之前，所有开关都已开启。

图5显示了共用电荷时的情况。输出放大器已置于待机状态（hi-Z模式），而此时开关器已全部关闭。电流按照箭头所示的方向由电压比V_COM高的扫描线流向电压比V_COM低的扫描线。在共用电荷时，输出放大器不会耗用电源。虽然开关再次开启，但各行扫描线的电压与V_COM相同。输出放大器就在这一刻进入传统驱动状态。要注意的一点是，输出只需将扫描线由V_COM驱动到最后阶段的电压，而非在整个电压范围内从头至尾驱动。

智能型电荷共用技术也设有监控POL信号的监控电路。各行扫描线只在POL信号进行切换时才以短路形式连在一起，显示扫描线电压正在改变其极性，并确保其极性与V_COM相反。以n线反相电路来说，并非每行扫描线都切换电压。采用智能型电荷共用技术有助于提高电荷共用功能的效率。

（2） 智能型电荷共用技术与传统驱动器之间的分别

采用智能型电荷共用技术的列驱动器的输出波形从外形看与传统列驱动器的输出波形不同，图6显示了这两种不同的输出波形。以这两种输出波形来说，V_HXX是上半部分（电压比V_COM高)的输出电压，而V_LXX是下半部分（电压比V_COM低）的输出电压。图6(a)所示波形是传统驱动器的输出波形。无论在电压范围内的哪一位置，转换率仍可保持相对稳定。图6(b)所示波形是采用智能型电荷共用技术的列驱动器的输出波形。智能型电荷共用技术的波形可分为两个部分，第一部分是电荷共用时的部分。这部分的转换率一直很快，然后才稳定下来，与V_COM电压看齐。共用电荷完毕之后，输出放大器进入传统的驱动模式，（第二部分波形）其输出波形与传统驱动器的波形极为相似。

图6 驱动器的输出波形

智能型电荷共用技术与目前市场上的列驱动器所普遍采用的节能技术基本上完全不同。目前市场上很多列驱动器都有低功率模式可供选择。以大部分应用方案来说，这个模式可减低流入输出放大器的偏压电流，以便节省能源。但这样始终会降低输出的平均转换率。对于负载较小及清晰度较低的小型平板显示器来说，这个解决方案已相当不错了。但转换率一旦减慢，性能也会随着降低，对于高清晰度、高负载的新一代平板显示器来说，这样便远远不能满足要求。

智能型电荷共用技术不但可以节省能源，而且又可同时提高平板显示器的平均转换率，因为储存在各行扫描线之内的能量可以即时提供较大的电流，这是传统放大器所无法做到的。由于美国国家半导体公司的列驱动器拥有这个优点，因此它一方面可以支持更高的实际转换率，另一方面又可降低功率。

（3） FPD33584及FPD33620的智能型电荷共用技术的应用

为了充分发挥电荷共用技术的优点，电荷共用时间的长短应根据平板显示器的负载大小而设定。RC电路负载较小的平板显示器即使需要较少的共用电荷，可比RC电路负载较大的平板显示器节省更多的能源。美国国家半导体公司在设计FPD33584及FPD33620这两款列驱动器时已充分考虑到电荷共用时间的长短，确保无需加设外置电路或添加输入管脚也可控制时间长短。

对于大部分平板显示器的负载来说，美国国家半导体公司一般会建议将电荷共用时间确定为500ns~1ms。以采用相当于50kΩ及150pF负载的平板显示器为例来说，由于负载较大，因此可能需要较长的电荷共用时间才可节省更多电力及发挥更卓越的性能。

采用FPD33584及FPD33620时，可以利用两种方法控制其电荷共用时间的长短。可以通过CLK-SEL、TIME0及TIME1三个管脚确定选用哪一种控制方法，全部管脚都可在TCP或COF封装之内切断联系。

第一种方法是通过改变CLK1的脉冲宽度来控制电荷共用时间。对于那些需要能够准确控制电荷共用时间的应用来说，这是一个最理想的方法。以这个配置来说，电荷在CLK1的上升边缘便开始共用，并在CLK1的下降边缘终止共用。采用这个配置时，必须利用TCP或COF的连线将CLK1-SEL管脚的电位拉高。采用这个配置时，应使TIME0及TIME1两个管脚处于悬浮状态。图7显示了以CLK1脉冲控制电荷共用时间时所出现的典型输出波形。

图7 利用CLK1脉冲控制电荷共用时间

第二种方法是利用某一指定数目的RSDS^TM时钟脉冲控制电荷共用时间。只要将CLK1-SEL管脚置于悬浮状态或连接在较低电位上，便可启动控制功能，控制电荷共用时间。TIME0及TIME1两个管脚提供4个不同长度的电荷共用时间以供选择。据表2所示，不同数值的TIME0及TIME1有各自不同的电荷共用时间。对于大部分应用方案来说，美国国家半导体公司建议负载较小的平板显示器或RSDS^TM时钟频率较低的应用方案也可采用[TIME1，TIME0]=[1，0]这个数值。128个RSDS^TM时钟周期只可用于负载极大的平板显示器。以这个配置来说，电荷在CLK1的下降边缘便开始共用，并在表2所列的RSDS^TM时钟周期内继续共用。图8显示了典型的输出波形，其中t_CS为表2中所列的时钟周期数与PWRSDS值的乘积。

图8 利用时钟周期控制电荷共用时间

利用智能型电荷共用技术共用电荷时，转换率一般会远比所显示的速率快。美国国家半导体公司专有的智能型电荷共用技术不但可以改善列驱动器的性能，而且也有助于减少系统的整体功耗。这种技术除了可以发挥更高性能之外，也可与市场上许多RSDS列驱动器的管脚兼容。