用于降低液晶电视机功耗的LED驱动技术

作者: Peter Rust, Werner Schοgler, Manfred Pauritsch, Herbert Truppe

据超高能效设备与电器推广(SEAD)项目估计，电视机能耗大约占全球居民消耗电能的3%至8%。由劳伦斯伯克利实验室开展的研究分析认为，如果采用更加高效的LED驱动等先进技术，将可以显著降低电视机的能耗。

几乎毫无疑问的是，采用LED背光照明的液晶显示器(LCD)技术是达到权威机构建议的效率目标的唯一可行方法。等离子电视机的缺点是每个像素都是有源发光体，因此其功耗直接正比于像素的数量。在相同分辨率和亮度条件下，高清等离子电视机的功耗大约是LCD显示器的2至3倍。而广为宣传的OLED技术并没那么快上市，而且这种“极度前沿的”大屏幕技术要求的投资额是非常巨大的。然而，采用目前最先进的TFT-LCD技术和具有“智能”直接LED背光照明及局部调光功能的大显示屏要比OLED便宜许多，而功耗和图像质量相近。

但目前的液晶电视机，包括采用LED背光照明的液晶电视机，仍与它们在今后几年中要达成的效率目标有一定差距。不过最新的LED驱动电路设计技术具有显著的节能效果，在帮助电视机制造商满足严格的功耗要求方面可以发挥较为深远的作用。

不断变化的电视机功耗标准要求

能源之星电视机功耗标准是2008年推出的，这个标准中的电视机功耗指标每年都会不断降低。由于不管多大尺寸的电视机，目前标准允许的最大功耗都是85瓦，因此对大屏幕电视机来说设计挑战会更加艰巨。

虽然能源之星是自发标准，但具有很大的影响力，而且也不是唯一的一种法规。例如加州能源委员会就颁布有自己的标准。他们这个标准比能源之星标准还要严格，并且具有很大的杀伤力——它禁止在加州地区销售不能满足其能效指标的电视机。在欧洲，相关法规也已颁布很多年了，允许对白色家电的能耗进行直接比较(欧盟能源标签)，消费者经常把它作为购买决策的基本依据。对电视机、汽车等产品来说这些法规现在都是强制性的。

LED背光照明的工作原理

由于LED背光照明功耗约占液晶电视机整个系统功耗的30%至70%，因此提高背光照明电路效率对改进系统效率有相当大的作用。正如电源系统设计中经常遇到的情况那样，许多不起眼的效率改进措施组合在一起可以实现显著的节能效果。

LED背光照明的实现方式主要有两种(见图1)。在间接或边缘点亮式背光照明方案中，LED放置于屏幕的边缘，并通过导光装置将光线均匀的分布到整个显示器。这种方案在大至40英寸的屏幕中具有很好的光学均匀性，而且背光照明部件的厚度只有5mm至10mm。


图1：液晶电视机可以采用两种LED背光照明方式中的一种。

在直接背照系统中，LED直接布置于LCD的后面，具有低功耗、良好的热设计和优秀的可扩展性能，特别是对屏幕尺寸没有限制。这种屏的厚度通常要比边缘点亮型屏厚，但借助于最新的发光技术，现在这种显示器厚度也可以做到8mm了。直接背光照明的一个重要优点是，它可以实现复杂的局部调光功能，进而降低功耗，提高动态对比度，使最新的电视机设计能与OLED相媲美。

LED背照系统的架构选择

设计师一般会根据最大限度地节省能耗和显著增强图像质量标准来选择LED背照驱动系统的架构。另外，设计师也希望能在本地控制LED串和最低的材料清单(BOM)成本之间取得最佳平衡。

单串和单个DC/DC转换器

这种方案用开关电源(SMPS)给成串放置的背照LED提供电压，并用电流槽来调节流经LED串的电流。为了尽量降低功耗，ILED电流槽处的电压要求比必需电压高一点，以便保证LED能够接收到规定的电流(见图2)。


图2：单串、单个DC/DC转换器的背照系统架构。

常见的设计方法是建立一个从ILED电流槽到开关电源的反馈路径，用于调节开关电源的输出电压。这条反馈路径建立后就允许不同LED之间存在的正向电压(Vf)变化。白色LED的Vf典型值约为3.2V，但不同LED的变化可能高达±200mV。因此，在有10个LED的串中，总的VLED电压值可能在30V至34V范围内。

DC/DC转换器要求的输出电压可以表示为：



假设VSINK为0.5V，那么ILED电流槽必须将VDC-DC调整到30.5V至34.5V范围内，具体取决于实际的LED正向电压。

多串和多个DC/DC转换器

单串的LED很少能够满足要求，因为随着串中LED数量的增加，DC/DC转换器的输出电压也要随之增加。在VOUT/VIN超过某个比值后，开关电源的效率会急剧下降。因此LED背光设计师可以使用多个LED串来避免开关电源输出过高的电压。

最简单的方法是每个串复制单个串单个DC/DC转换器的拓扑(见图3)。这种方法的优势是效率高，因为每个串的电压可以单独调节。缺点是成本高，因为每个串需要自己的DC/DC转换器、MOSFET、线圈、二极管和输出电容。为了节省BOM成本，设计师可以通过使用长串来减少LED通道的数量，即在每个串中使用更多的LED。但这种方法会牺牲系统实现局部调光的能力，而这是另外一种重要的节能技术。因此这种拓扑不管怎样变换都不会特别吸引人。


图3：每个LED串使用单独的DC/DC转换器是一种昂贵的方案。