LED背光模组保护机制详解
现今已有越来越多电子产品采用LED背光模块,为确保背光模块性能,LED驱动IC的保护功能已格外受到重视。良好的保护机制必须针对拓扑的输入、输出与LED背光等部分,进行全面且完善的考虑,并要同时兼顾高LED驱动电流能力与电流平衡。
然而,在LED背光模块开始大放异彩的同时,不得不同时思考着LED背光模块失效模式的预防,这可避免因其失效而产生使用安全性的疑虑,尤其当应用场合从家庭慢慢延伸至公共场合时,LED驱动集成电路(Driver IC)保护动作机制就显得格外重要。
目前LED驱动IC主要保护机制分为对拓扑架构的保护,例如过电压保护(Over Voltage Protection, OVP)、过电流保护(Over Current Protection, OCP)、短路保护(Short Circuit Protection, SCP),其相关保护不外乎针对电性应用上的保护,或者是模块端、系统端制程相关的保护,而目的均以安全考虑或不损坏系统端组件;还有对LED灯条端的保护,例如LED开路保护(LED Open Protection, LOP)、LED短路保护(LED Short Protection, LSP);由于LED属于半导体物理组件,过高的操作电压及长时间的操作电流皆会造成LED组件损伤,因此如供电电压不稳、LED线路间或本身质量因素造成短路,或是开路都会使LED失效造成亮度差异,进而影响面板画面质量及LED的寿命。本文将针对不同的保护机制动作原理及判断机制做深入的探讨。
LED背光保护机制各有专长
一般应用于LED驱动的拓扑架构均以提供LED稳定电流为目标,再以输出与输入的电压关系选择适合的拓扑架构;相较于目前的应用,LED亮度与电流、应用的数量成正比,所以为求高亮度与多颗LED串联,其多串并联使用为现今背光模块大多数的应用方式。
而其所须提供驱动LED的电压也相较比输入电压高;此时升压式转换器(图2)就是一个相当不错的拓扑架构,但因其为升压架构,若有任何异常发生时,异常的高电压输出与高输入电流将是设计人员考虑的必要因素。
图2 升压转换器+多通道电流平衡
若把需配合电源系统的交流转直流的因素考虑进来,时下返驰式(Flyback)、半桥谐振(LLC)(图3)配合电流均流IC回授控制前级均是目前应用的主流。在此,将针对拓扑端的失效模式与LED端的失效模式应具备的保护机制逐一介绍。其相关LED背光保护机制有OVP、输入过电流保护、输出过电流短路保护、LED开路保护、LED短路保护、过温保护。
图3 多通道电流平衡
输出过电压保护的LED驱动多为升压式转换器(图4),如未有过电压保护,在回授讯号异常时,输出电压有可能超出组件所能承受电压,造成组件及LED损坏。因此LED驱动器的过电压保护设定保护点须考虑LED最大操作电压(图5),以求能正确保护LED及其他组件,且不会因为LED的零件误差造成保护误动作。
图4 LED驱动器过电压保护区块
图5 LED驱动器过电压保护时段
输入过电压保护主要是保护开关组件N型金属氧化物半导体场效晶体管(NMOS)及防止电感L发生饱和现象(图6),当输入电流过大时,升压式转换器会强制关闭NMOS(图7),限制最大输入电流。
图6 LED驱动器过电流保护区块
图7 LED驱动器过电流保护时机
输出过电流短路保护(图8)是当升压式转换器的二极管(Diode)未连接或输出短路到地时,LED驱动IC会判断回授系统异常,进而关闭LED驱动IC以防止能量继续输出而导致整个转换器的损坏或系统的烧毁(图9)。
图8 LED驱动器短路保护区块
图9 LED驱动器短路保护时机
LED开路保护是由于LED因本身质量不良或光条连接系统间,发生连接不良开路现象时(图10),VD电压会接近0伏特(V),此时Boost升压转换器会因无侦测到回授讯号进而将输出电压Vout提高,如未有LED开路保护将异常回路从升压转换器回授控制中隔离,则多余电压会跨于正常工作的LED驱动或外部稳流NMOS上(图11),其公式为:PD=ILED×Ve。将会造成组件过热的问题发生。
图10 LED驱动器开路保护区块
图11 LED驱动器开路保护时机
LED短路保护的用途是LED因线间链接接触问题或是LED质量不良,LED发生短路;当LED短路发生时(图12),多余电压会跨在LED驱动或外部稳流NMOS上,其公式为PD=ILED×VLED-Short。当LED短路颗数过多时,LED驱动及NMOS会有过温的现象发生(图13)。
图12 LED驱动短路保护区块
图13 LED驱动器短路保护时机
监测温度功能可避免照明中断
过温度保护的过温度失效模式约来自于两大部分,首先是使用高亮度LED做光源时,相对的其产生的热也较高。当此类LED在应用时,虽可发出足够的光及有效减少LED的使用数目,但其所产生的另一个副作用即是热。在正常的使用条件下,多少LED电流会对LED产生多高的温度是可预期的。但当故障发生时,过高的温度会使LED的亮度产生衰减甚至会损坏LED,此时IC须有侦测温度的功能,当侦测到异常高温时,可降低LED电流而降低亮度使其温度降低,待温度持续降低到可接受值时,再提高LED的亮度,此保护功能可避免因异常温度引起的照明中断;相对的亦可停止LED输出电流的供应使照明中断。其次,当LED短路或其他使IC本身发生异常之高温,此时须由IC本身之过温度保护侦测动作来保护异常动作的持续发生,以避免相关的安全性问题发生。
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