中心議題：
- CCFL背光技術(shù)及驅(qū)動電路分析
- LED背光技術(shù)及驅(qū)動電路分析
- 為CCFL和LED背光供電需考慮的因素
解決方案：
- CCFL和LED的散熱、調(diào)光控制和輸入電壓考慮
- PWM調(diào)光解決方案
典型的LCD背光可以是1個(gè)或多個(gè)冷陰極熒光燈(CCFL)，或是一組發(fā)光二極管(LED)陣列。圖1分別給出了采用這兩種技術(shù)的一個(gè)例子。背光圖像的質(zhì)量在很大程度上取決于背光驅(qū)動器。在本文中，我們將討論有助于CCFL和LED發(fā)展的一些注意事項(xiàng)，以及如何為這兩種背光供電。
CCFL的總體考慮
CCFL背光是最常見的背光技術(shù)，被用于5.7至23英寸或更大尺寸的顯示器中。在整個(gè)顯示器背板上，可以沿LCD邊緣或均勻間隔地安裝1到24個(gè)或更多個(gè)電燈。
通常，通過調(diào)節(jié)CCFL電流或電燈的占空比來控制亮度。最基本的驅(qū)動器是由5至48V直流電供電的DC-AC逆變器。
LED總體考慮
LED已被廣泛用于小型顯示器中。對于尺寸較大的顯示器，由于CCFL背光的功耗較高，并且在某些情況下含汞量過高，這種技術(shù)正開始被LED背光所取代。 LED可以沿著LCD邊緣或在LCD的背面呈點(diǎn)陣排列。LED器件可串聯(lián)或并聯(lián)排列，這兩種結(jié)構(gòu)將可以提供均勻的LCD照明。LED串可利用每個(gè)串中的串聯(lián)電阻并聯(lián)排列，以提供串-串電流均衡及照明冗余。
CCFL背光通常提供的是白光，而LED背光既可以提供白光，也可以提供紅光、綠光及藍(lán)光的混合。LED在正向偏置時(shí)發(fā)光。為保證顯示質(zhì)量，需要采用恒流驅(qū)動器來補(bǔ)償LED電壓降及溫度變化的影響，從而確保穩(wěn)定的光輸出。
與CCFL不同，LED背光不需要很高的交流電壓，因此也就不需要逆變器。最基本的LED驅(qū)動器由5至48V的直流電供電，并采用DC-DC升壓電路來為驅(qū)動LED串的恒流驅(qū)動器提供電壓。
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CCFL驅(qū)動電路
逆變器電路可以分為兩組：輸出功率較低的一組采用功率晶體管作為初級電路開關(guān)器件，而輸出功率較高的一組則采用FET。
變壓器對輸入電壓進(jìn)行升壓。在設(shè)計(jì)電路時(shí)需要考慮功率、銅損耗及磁芯材料。
圖2詳細(xì)展示了一類CCFL驅(qū)動器。鎮(zhèn)流(或次級)電容C2由次級到初級反向工作，可降低CCFL啟動和輸出電流開始增大時(shí)CCFL上的電壓。啟動電壓(VS)、CCFL上的電壓降(VR)以及次級電容上的電壓降(VC)這三者之間的關(guān)系為VS2=VR2 + VC2。次級電容值取決于輸出電流和輸出頻率。增大電容值可增加輸出電流并降低頻率。
在初級電路中，一旦次級負(fù)載、次級電容和變壓器初級/次級繞組匝數(shù)確定下來，電容C1便可對逆變器輸出電流值及輸出工作頻率進(jìn)行微調(diào)。C1可提供輸出電流及頻率，這些值由次級電路上的元件來決定。
基極限流電阻R1可支持足夠大的晶體管基極電流，以保證晶體管的飽和。同時(shí)，當(dāng)晶體管變換初級繞組時(shí)，扼流電路可減小輸入電流中的紋波。扼流電路也可延長逆變器導(dǎo)通時(shí)的電流上升時(shí)間。其目的是減小峰值浪涌電流，并扼制來自扼流電路的可聽噪聲。
要對電感、物理尺寸、飽和電流、IR損耗及功耗作出折衷，這使得在選擇電感器時(shí)面臨著挑戰(zhàn)。請注意：在低占空周期下，輸入電流上升時(shí)間較長會降低脈寬調(diào)制 (PWM)調(diào)光的效果。此外，不仔細(xì)選擇扼流電路會導(dǎo)致處于上升的輸入電流波形出現(xiàn)鞍形或更糟糕的情況，而這將影響低占空比PWM調(diào)光及CCFL的啟動。
所有大功率輸出逆變器或具備板上調(diào)光功能的逆變器都應(yīng)該采用輸入旁路電容，以減少輸入電壓紋波。如果未采用這些電容，那么當(dāng)每次逆變器功率器件開關(guān)時(shí)，產(chǎn)生的電流增加值將導(dǎo)致輸入電壓降低。
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LED驅(qū)動器電路
圖3中的設(shè)計(jì)顯示了一個(gè)恒流斬波驅(qū)動器，它可為用于提供LCD側(cè)背光的LED串提供帶有10%紋波電流的直流電流。直通開關(guān)器件P溝道FET可為LED串提供電流，并與電感器、感測電阻及升壓器件一起產(chǎn)生斬波電流及頻率。
DC-DC升壓變換器是一個(gè)閉環(huán)升壓電源，它提供了足夠的電壓(至少2V的余量)來驅(qū)動流向LED串的電流。圖中A部分顯示了一個(gè)比較器及構(gòu)成正向滯后電路的相關(guān)電阻。圖中將感測電阻上的電壓與一個(gè)已知參考值作比較。圖中B部分給出了另一個(gè)比較器和用于緩沖A部分輸出相關(guān)電阻，以確保正確的滯后處理并驅(qū)動直通器件。
圖中C部分提供LED開/關(guān)及調(diào)光控制。+ENABLE輸入控制背光的開/關(guān)，+PW脈寬調(diào)節(jié)斬波驅(qū)動器的導(dǎo)通與截止，以實(shí)現(xiàn)調(diào)光。該設(shè)計(jì)可以實(shí)現(xiàn)得相當(dāng)緊湊(見圖4)。
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散熱考慮
LCD工作時(shí)的環(huán)境溫度是背光驅(qū)動器設(shè)計(jì)人員需要考慮的一個(gè)關(guān)鍵因素。CCFL啟動或起始電壓與溫度成反比。圖5a顯示了CCFL起始電壓與溫度之間的典型關(guān)系，圖5b則展示了與電燈電流增大相關(guān)的CCFL亮度變化曲線。
CCFL達(dá)到規(guī)定亮度所需的時(shí)間也與溫度成反比。對于要求亮度快速增加的任務(wù)關(guān)鍵型應(yīng)用，可能需要逆變器在短時(shí)間內(nèi)提供較高的升壓電流，以增強(qiáng)CCFL的預(yù)熱性能，并加快達(dá)到所要求亮度的時(shí)間。不過，雖然較高的CCFL電流有利于燈的預(yù)熱，但持續(xù)的高電流會使燈處于飽和狀態(tài)，這還會導(dǎo)致亮度下降以及燈的溫度上升，同時(shí)縮短燈的壽命。對于大多數(shù)CCFL而言，燈的額定電流應(yīng)在3mA～8mA(均方根)的范圍內(nèi)。
LED背光對低溫不敏感。低溫下LED電氣特性及導(dǎo)通時(shí)間的微小變化無需對驅(qū)動器設(shè)計(jì)作任何特殊考慮。
高溫也會影響驅(qū)動器的設(shè)計(jì)。實(shí)際上，高溫對CCFL驅(qū)動器功能和可靠性的影響比其它所有變化因素都要顯著。
對CCFL驅(qū)動器來說，變壓器中銅和磁芯的損耗可能會構(gòu)成一個(gè)很大的熱源。變壓器通常工作在超過現(xiàn)場環(huán)境溫度約30°C的溫度下。通過調(diào)整CCFL的驅(qū)動器設(shè)計(jì)，可以將銅和磁芯的損耗降至最低，從而維持電路中的電壓和電流值。
高溫對LED背光而言也很重要。不過，此時(shí)考慮的重點(diǎn)是LED自身的溫度，而不是驅(qū)動元件的溫度。近年來LED技術(shù)、封裝及材料的進(jìn)步極大地提高了LED 亮度。LED背光的難點(diǎn)將是如何將LED器件自身的熱量散發(fā)出去，然后散發(fā)顯示裝置上的熱量。設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是保持LED結(jié)溫低于100°C以確?？煽啃?。
調(diào)光控制
要求寬亮度范圍的LCD應(yīng)用正日益增長。驅(qū)動器必須能夠分別為明視及夜視提供高亮度和低亮度。亮度控制必須在這一寬范圍內(nèi)平滑變化，并且不產(chǎn)生閃爍。
CCFL背光的模擬調(diào)光是通過調(diào)節(jié)驅(qū)動器輸出電流來改變燈的亮度，可實(shí)現(xiàn)約為30%滿亮度的粗調(diào)，但這無法為大多數(shù)應(yīng)用提供足夠的動態(tài)范圍。此外，模擬調(diào)光會增加振蕩器晶體管負(fù)擔(dān)并降低逆變器的可靠性。
PWM調(diào)光極大地改善了調(diào)光控制。在這種類型的調(diào)光控制中，CCFL或LED以固定頻率脈沖導(dǎo)通和截止，并通過調(diào)節(jié)占空比改變亮度。通常，在100至 500Hz頻率之間調(diào)節(jié)CCFL背光。CCFL背光(帶有4個(gè)或更多燈)的低亮度控制可通過選擇性控制技術(shù)來提高，利用這一技術(shù)，燈會隨著亮度的降低而依次熄滅。
此外，調(diào)節(jié)LED背光的最佳方法是利用PWM調(diào)光。采用LED背光可獲得更寬的調(diào)光率，因?yàn)長ED的基本開關(guān)時(shí)間可以以納秒度量，而CCFL則需以毫秒度量。
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輸入電壓
雖然應(yīng)用可以支持5至48V的直流電，但流經(jīng)大多數(shù)LCD背光驅(qū)動器的為12V直流輸入。CCFL控制環(huán)可能為開環(huán)或閉環(huán)。開環(huán)設(shè)計(jì)需要穩(wěn)壓輸入電源，因?yàn)槠鹗茧妷汉洼敵鲭娏麟S輸入電壓而變化。閉環(huán)CCFL驅(qū)動器在整個(gè)輸入電壓范圍內(nèi)都可以提供恒定的起始電壓和電流。因此，閉環(huán)在不需要對輸入進(jìn)行穩(wěn)壓的應(yīng)用中更受歡迎，通常電池供電應(yīng)用就屬于這一類。
對于LED驅(qū)動器而言，VCC必須大于為LED串和感測電阻供電所需的最小值。DC-DC升壓變換器必須采用閉環(huán)控制，以便在無負(fù)載或滿負(fù)載條件下都能提供相對穩(wěn)定的VCC。
雖然LCD的CCFL背光與LED背光之間有很多顯著差異，但驅(qū)動器設(shè)計(jì)人員必須遵從某些相似性和基本原理，包括考慮背光的環(huán)境溫度，還應(yīng)特別注意CCFL的低溫情況及LED的高溫情況。
由于高壓問題，CCFL背光所面臨的關(guān)鍵挑戰(zhàn)涉及CCFL封裝及驅(qū)動器布局；由于熱管理，LED背光面臨的關(guān)鍵挑戰(zhàn)則圍繞負(fù)載器件的封裝。與模擬調(diào)光不同，上述兩種技術(shù)都可很好地利用PWM。本文雖然重點(diǎn)討論一些主要的考慮，但其它因素(如專用要求、成本控制、可制造性及可靠性)在優(yōu)化驅(qū)動器設(shè)計(jì)時(shí)也必須考慮。
另外的一些設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)
散熱考慮：環(huán)境溫度是背光驅(qū)動性的設(shè)計(jì)中一個(gè)重要的考慮因素。CCFL啟動關(guān)閉電壓與溫度成反比。CCFL達(dá)到指定的亮度需要的時(shí)間也與溫度成反比。另一方面， LED背光對低溫不敏感。
調(diào)光：使用調(diào)節(jié)驅(qū)動器輸出電流來改變燈的亮度的CCFL背光模擬調(diào)光，可實(shí)現(xiàn)粗調(diào)至滿亮度的約30%——這對大多數(shù)應(yīng)用需要的動態(tài)范圍不夠。PWM調(diào)光極大地改善了調(diào)光控制。這種類型的調(diào)光中，CCFL或LED以固定頻率脈沖導(dǎo)通和截止，通過調(diào)節(jié)占空比改變亮度。
輸入電壓：大多數(shù)LCD背光驅(qū)動器工作在12V直流輸入，雖然應(yīng)用范圍可能是5到48V直流。CCFL控制環(huán)可以是開環(huán)，這時(shí)需要穩(wěn)定輸入源，也可以是閉環(huán)，在整個(gè)輸入電壓范圍都可提供恒定的起始電壓和電流。對LED驅(qū)動器，VCC必須大于LED串和檢測電阻所需電源最小值。
