用于降低液晶电视机功耗的LED驱动技术

多个串使用一个DC/DC转换器

多个串加上单个DC/DC转换器的拓扑是降低BOM成本的一种更好方法(见图4)。该方法的缺点是，开关电源的电压必须调节到高过具有最大正向电压的那个LED串，这意味着系统的工作电压要高于具有较低正向电压的那些串所必需的电压，也即意味着ILED电流槽必须从具有较低正向电压的LED串上消耗过多的功率，这会产生必须从电路板散发的过多热量，从而降低能效。


图4：采用一个DC/DC转换器接多个LED串的拓扑时，开关电源的电压无法做到最优。

多串混合架构

整合了多串部件和多个DC/DC转换器的架构可以在效率和BOM成本之间提供最佳平衡。这种混合架构(见图5)有多个DC/DC转换器为LED串组供电。


图5：混合架构可以在BOM成本和能效之间达到最佳平衡。

这种解决方案可以提供最高的总体能效，因为它整合了直接背照系统中的局部调光优势和良好的DC/DC输出电压调节功能，而且还可以通过高效的多个串、多个DC/DC转换器架构提供真正的BOM节省。

调节电流以匹配LED的特性

LED制造工艺会造成不同LED之间的亮度和色温有很大的变化。为了方便用户，白色LED制造商会将每个制造的单元分配到在颜色、亮度和正向电压方面性能相当的LED组或“箱”。但制造商针对每个亮度和色温箱制订的规格只在特定标称工作条件下才有效。这意味着LED电流必须设置为数据手册中规定的标称电流才能产生规定的亮度和颜色。

结果是，只能通过数字PWM控制信号将任何一个LED的电流切换到导通(标称电流)或关断(零电流)状态才能实现调光和亮度控制功能。在模拟调光时，LED将工作在规定的标称电流范围之外，这将导致不可接受的色温变化和不良的LED至LED亮度匹配(见图6)。


图6：来自相同箱的LED亮度只有在标称电流时才能保证匹配(本例中为20mA)。

电流槽特性

由于LED要求完全稳定的恒流电源，因此LED驱动器的主要作用只需是在导通时将电流设为标称值，在关断时将电流设为0A。这样，控制调节精度的反馈环路要求使用特别精密的电流槽(见图7)。

虽然市场上有各种电流槽设计，但电视机背光照明的高精度要求(电流调整率高于±0.5%)需要使用精密运放来设置独立于ILED电压的ILED电流。但在背光照明驱动器应用中，任务更具挑战性，因为即使电流槽的电压降低到非常小时也必须保持电流调整的精度。

这是一个很难满足的要求，但AMS公司提供的四代高精度电流槽LED驱动器——AS369x、AS381x、AS382x、AS385x就是特别针对这种应用设计的。这些器件也采用了偏移补偿式运放。电流槽驱动器要求漏极处于最小电压值(VDS(sat))，以便确保电流槽晶体管在饱和区内具有完整的精度并能够正确地工作。在饱和区内，栅极－源极电压主要用于控制输出电流。

如果想要电流槽高效率地工作，VSET和VDS之间的压降要低，这一点很重要。采用运放并内置偏移抵消功能的LED驱动器可以保持VSET电平低至125mV至250mV。要想使VDS具有超过VDS(sat) 150mV的额外余量，电流槽的总压降必须在400mV左右。对于具有8个LED的串来说(此时Vf?= 8 x 3.2 = 25.6 V)，ISINK中的功率损失约为1.5%。当AMS背光LED驱动器中不包含偏移抵消功能时，VSET的值将更高，这将使电流槽的功率损失更多。


图7：电流槽设计；精密电流槽要求使用带偏移补偿功能的精密运放。

用于优化功耗的反馈调节机制

如上所示，从LED驱动器到开关电源建立的反馈路径将漏极电压设置为最低要求值。输出电流槽可以用简单且成熟的电流输出驱动器加上一个外部电容来实现(见图9中的左图)，或者使用能够设定启动/释放时间并用数模转换器控制电流输出的数字控制电路来实现(IDAC)(见图8中的右图)。


图8：至开关电源的反馈环路的两种不同实现方法。

这两种解决方案都具有很高的效率，能使用各种带电压反馈环路的开关电源，而且都可以通过将反馈回路从不止一个驱动器连接到同一开关电源来实现，这正是混合架构系统的要求。

然而，第二种数字实现方法具有一些特定的优势。除了同样不要求使用输出电容外，这种数字电路还能让设计师自由地定义反馈系统的启动和释放时间。通过选择快速启动时间以及释放延时和相对缓慢释放的组合，可以显著提高显示器的性能。这种好处在要求快速改变亮度的场合特别明显。在这种情况下，当屏幕从黑暗改变到全亮时，快速启动时间可以消除可觉察的亮度瑕疵。模拟解决方案(见图8)是在很短的暗帧期间逐渐调节LED输出的，因此下一个亮帧达到全亮会有个可见的延迟。

这个现象会让电视观众分心，因为电影和其它视频内容的帧与帧之间有很大的动态范围。这种瑕疵可以用数字调节电路来消除，方法是在释放操作中插入几百毫秒的延时。这样，当亮帧被一系列短的暗帧中断时，第2个亮帧将从全亮时开始，因为驱动器会自动延迟电压下降过程。AMS产品中就使用了能够实现释放延迟的数字反馈算法。

LED驱动器IC中集成的另外一个有用功能是快速串行外设接口(SPI)。在直接背照电视机中，LED被安排在大量相对短的串中，因此小尺寸的显示屏可以通过调暗光线达到节能的效果。通常这种安排在16x16的场矩阵中包含256个通道，每个通道可以通过脉宽调制(PWM)单独配置。但利用可变PWM宽度和延时产生256个PWM信号是一个极耗处理器资源的任务，即使是最快的微控制器也会不堪重负。

因此这些背光照明系统都是使用集成在LED驱动器IC中的PWM发生器，这样就可以通过简单的SPI数据传输来配置亮度。在具有多个驱动器IC的架构中(如每个IC有16个通道，总共16个IC有256个通道)，LED通道可以通过建立SPI信号菊花链并将VSYNC帧中使用的数据传输到前一帧进行配置。

在这种方案中，通过SPI的数据传输速度可以达到20Mb/s，或在400Hz帧速率时达到50kb/帧。这个速度足够快到以同步实际帧的速度改变每个场的调光效果。因此只需很少的微控制器开销就可以实现理想的局部调光功能。