LED驱动器提高TV背光能效技术解析

　　根据加州能源委员会的资料，现今一台电视平均消耗一户家庭约8—10%的用电量，由此观之，能源效率显然已成为电视供应商重要设计参数之一，未来电视能源效率的相关规范势必也更加严格。

　　为有效降低电视功率消耗，制造商须达到法定能源效率基准，而较可行方法是采用LED背光的液晶显示器(LCD)技术；其他如电浆电视的缺点在于每个像素都是活跃的光发射体，加上能量消耗与像素数量成正比，因此在相同亮度与解析度下，高画质电浆电视平均消耗的能量约为LCD液晶显示器的二至三倍。

　　目前新型的LED驱动电路设计技术，可有效节约主要功率消耗，让电视制造商能满足严苛的功率消耗需求，但若要在未来数年内达到必需的功率消耗目标，现今LED背光液晶电视仍会面临诸多困难。

　　电视功率消耗标准日趋严格

　　首先针对电视功率消耗做出规定标准的是美国环保署于2008年启动的“能源之星”v3版本，此一4.0版本系2010年5月1日生效，该版本不仅将功率消耗限制降低约40%，也规范出最高亮度输出下的对比度功率消耗上限，能有效防止供应商误导消费者。接着，在2011年9月30日生效的5.3版本又再次降低功率消耗限制。由此可见，当每次新修订的法律条文进一步降低电视能源消耗时，对于大尺寸电视的制造商更是严格的挑战。

　　不过，自发性高且极具影响力的“能源之星”并非电视功率消耗的唯一规范。事实上，美国加州能源委员会也于2011年初至2013年间执行相关有效标准，禁止未达到功耗标准的电视在当地销售。此外，图1显示的是电视功率消耗标准的变化，以及2011年LG影院3D电视实际的消耗功率。

　　图1　电视功率消耗范围示意图

　　LED背光划分直接/间接模式

　　LED背景灯的能源有30%至70%是来自LCD液晶电视的电源系统，此与许多传统电源系统设计一样，只要逐步改善能量消耗，就可累积成极大的进步。因此，改善背光电源电路，便能大幅提升系统的能源效率。

　　LED背光照明有两种应用方法，如图2所示：

　　图2　LCD液晶电视可采用两种LED背光照明设计。　　．间接背光照明

　　间接背光照明中，LED配置在萤幕边缘以产生均匀统一的光线。该配置能让LED即使在最大的40寸电视萤幕也能有均匀光源，且背光单元厚度仅5？10毫米(mm)。

　　．直接背光照明

　　直接背光照明系统中，LED灯直接配置在LCD后面，可让电视具备低功率消耗、高散热功能外，还能具不受萤幕尺寸限制的良好延展性，虽然这种面板比间接照明方案要厚，但若采用此种照明配电，最新技术可使萤幕达到仅8毫米的厚度。直接背光照明最大优点在于能够精准为局部调光，同时也降低功率消耗并提高动态对比度。

　　采用多串联电路混合架构　LED照明系统兼顾节能/成本

　　系统架构的好坏不仅是LED背光驱动设计的重要因素，也是节能最关键的所在。设计人员正寻求局部控制LED灯串与物料成本间最佳的平衡，控制越多单位的LED，越能降低功率消耗。以下将说明各种串联电路架构及搭配的电源管理方案。

　　单串联/单DC-DC转换器

　　举例来说，开关模式电源(SMPS)的高效直流对直流(DC-DC)转换器，系为串联的背光LED灯组提供电压；此外，如图3所示，灯串尾端则是通过电流槽(Current Sink)调节的电流，而电流槽电压须略高于额定电压，才能确保LED收到指定电流，降低功率耗损。

　　图3　单串联/单DC-DC转换器背光系统架构

　　一般而言，电源通用设计原理是在电流阱到SMPS间使用反馈回路调节，但这种反馈回路必定会在两个LED之间的正向电压(Vf)变动。白光LED的标准正向电压约为3.2伏特(V)，而最高电压范围为每LED±200毫伏特(mV)，因此在一条由十个LED组成的串联电路中，VLED的总电压为30？34伏特。

　　DC-DC转换器所需的电压为：

　　VDC-DC=VLED+VSINK； VLED=n*Vf(LED)

　　由于VSINK的电压为0.5伏特，所以ILED SINK不仅必须将VDC-DC调节在30.5？34.5伏特之间，还须考虑LED实际正向电压。

　　多串联电路/多DC-DC转换器

　　基于串联的LED数量与所需输出电压成正比，因此单一串联LED灯组是不够的。除此之外，若超过一定输出/输入电压比率(VOUT/VIN Ratio)，会导致SMPS效率急遽下降。综上所述，LED背光设计人员须要使用多个串联电路，以避免SMPS输出电压过高。

　　从图4可见，最简单的方法是复制单串联/单DC-DC转换器拓扑，让每个串联电路电压各自调节以提升效率。但如此一来，所有串联电路也得各自配备DC-DC控制器、金属氧化物半导体场效电晶体(MOSFET)、线圈、二极体和输出电容等材料，总体物料成本也会随之提高。虽然设计人员或许为求解决问题而减少LED通道数量，并将所有LED串联，不过仍会影响系统的局部调光；反覆权衡后，这种拓扑结构显然不是最佳解决方法。

　　图4　LED串联电路各包含独立DC-DC转换器，将是一种较高成本的方案。　　采用单DC-DC转换器的多串联电路

　　然而，另一种更激进的方法是采用单DC-DC转换器的多串联电路拓扑(图5)，该方法的缺点是SMPS电压须调节到比最高正向电压高，但同时表示电流槽的电流必须消散多余电量，这不仅会产生多余热量，而且也会降低效率。

　　图5　单DC-DC转换器同时服务多个LED串联电路，会导致其无法充分利用SMPS电压。

　　多串联电路混合架构

　　该架构不仅结合上述提到的多串联电路/多DC-DC转换器架构元件，也是效率和成本之间的最佳平衡(图6)。藉由这个方案能局部调节直接背光照明系统，并有效控制DC-DC输出电压，因此可以提供最佳能源消耗。此外，图1由LG提供3D电视32LW550S、42LW650S、47LW650S、55LW650S的数据，显示该拓扑结构能让LCD电视达到高效率。同时，此方案比起多串联电路/多DC-DC转换器架构更能节省物料成本。

　　图6　混合架构能降低物料成本，同时提升转换效率。

　　LED亮度/色温仰赖调节电流

　　上文提到白光LED的正向电压波动是LED制造技术的特点，这也造成不同LED在亮度与色温的广泛变化，因此白光LED制造商会根据颜色、亮度和正向电压的不同，对产品进行分组，将类似产品归为一类。

　　不过，电流必须调节为特定额定电流，才能形成标准亮度/色彩的LED，所以制造商对亮度和色温的规格说明仅在精确标准运作的条件下有效；在类比调光中，LED会在标准额定电流之外运作，导致其无法接受色温变化而使亮度调配不佳。

　　准确调节电流　电流槽精准度至关重要

　　LED须要精确调节的恒流电源，其驱动器的工作是在开关打开时将电流设为额定值，并在关闭时保证电流为0安培(A)；负责准确调节电流的反馈回路则需要极其精准的电流槽。如图7，虽然电流槽有许多种，但因背光电视的电流调节要求精准度误差须小于0.5%，因此须使用主动运算放大器设定LED的电流(ILED Current)，才能进一步独立设定其电压(ILED Voltage)。换句话说，使用极精确的运算放大器并不难，但当背光驱动运作中，电流槽的电压降得很低时就难以精准调节电流。

　　图7　电流槽装置：精确的电流槽须要使用高精度且偏移补偿的运算放大器。

　　有鉴于此，电源晶片商如奥地利微电子(ams)设计的精准电流槽LED驱动器，可达成电流槽驱动器需要最低的漏极电压(VDS(sat))，以确保饱和区域内电流槽电晶体能准确运作，至于饱和区域主要为栅源电压控制输出电流所应用。

　　此外，VSET和VDS之间的电压降必须处于低水平，才能提高电流槽的效率。由于LED驱动器内建偏移补偿功能，因此可将VSET维持在125？250毫伏特的低水平，同时为高于VDS(sat)的VDS提供150毫伏特的额外电压差，如此电流槽总计可达到约400毫伏特的电压降。另外，电流槽若由8个LED构成串联电路(Vf=8×3.2=25.6伏特)，其电流功率消耗损失约为1.5%；若背光LED驱动器没有包含偏移补偿功能，则VSET值将提高，进而导致电流槽功率损失更多。

　　内建PWM/SPI　LED驱动器调光效果跃升

　　如上所述，从LED驱动器到SMPS的反馈回路会使漏电压处于最低值。从图8的左图可见，输出电流槽可采用简单明确的电流输出驱动器与外部电容器，也能如同图8中的右图使用数位控制电路设定释放次数，并通过数位类比转换器输出电流(IDAC)。以上这两种方法不仅皆能达到高效率，也可搭配各种电压反馈的SMPS，依混合架构的需求，从多个驱动器附加反馈线路至同一个SMPS。

　　图8　反馈回路传送到SMPS的不同方法

　　除此之外，数位化应用有一些独特优势，不仅不需要输出电容器，还能让设计人员自由定义反馈系统的启动与衰变次数，若选用涵盖衰减潜伏期及相对较慢衰减的快速启动次数，将能改善显示器的表现。而这种优势在须要迅速改变亮度的场景表现最为明显，能用来快速消除萤幕从暗至全亮过程中可察觉的亮度瑕疵。图9是亮度转换的普遍案例，左边类比方案在LED输出会在短时间内变暗，造成萤幕再达到下一次全亮之前会明显地延迟。

　　图9　右边的数据反馈回路较左边的模拟反馈回路，能更快由暗到亮转换。

　　由于电影和其他影片内容是由大量的动态画面构成，因此很容易让观众注意力分散。如能在衰变指令中嵌入上百毫秒的延迟，即可让数位调节电路中的瑕疵消除。这表示因为驱动器自动延迟电压的斜线下降，变亮过程被一系列短暂变暗过程打断，因此第二个变亮过程将从全亮开始。

　　另一个在LED驱动器晶片中有用的整合功能是串列式周边介面(SPI)。其中，LED以大量相对较短的串联组成直接背光电视，能让较小区块的面板变暗以节约能源，通常这种组合包含16×16矩阵所排列的两百五十六通道，且每个LED均由脉冲宽度调变(PWM)单独配置；但要产生两百五十六个含可变PWM宽度与延迟讯号的通道，即使是对速度最快的微控制器(MCU)来说，依然是个极大任务。

　　因此，透过这些背光系统能将局部PWM发生器整合至LED驱动器晶片，这就可以用简单的SPI数据传输来控制亮度(图10)。在十六个个别包含十六通道多驱动晶片构成两百五十六通道的架构中，LED通道不仅可以菊链SPI讯号方式配置，还可以传输用于VSYNC到前一幅的数据。

　　图10　SPI传输及可程式PWM发生器

　　在这种组合中，以400Hz帧速率下通过SPI数据传输的速度可以达到20Mb/秒或50kb/帧。有了能够弥补局部PWM发生器延误、高峰和时段的延迟，就能在更短时间内依实际需求将各区调暗，因此能以最低的微控制器成本达到理想的局部调光效果。

　　善用环境光感测器　LED智慧调光应用更多元

　　事实上，这种局部调光技术仅适用于直接背光照明系统，但仍能应用在针对一定数量智慧调光的边缘照明，特别是在保持白光LED色温不变的情况下，PWM调光可调整亮度。值得注意的是，在该方案中边缘照明所用的LED并非永久设定在特定亮度值，而是可以根据画面内容决定通过脉冲宽度的动态变化。

　　另一种减少功率消耗的方法是使用环境光感测器，如果环境光较暗，背景灯亮度就会减弱。并且电视制造商也正在研发更先进的方法，比如摄影镜头若能设计至萤幕中，这样消费者便可以在电视上拨打如Skype的语音电话，此外这些摄影镜头也能用来检测使用者是否有实际在看电视，若房里无人在看电视，背景灯即可自动调整亮度至最低水准。

　　综上所述，随着智慧调光系统愈趋先进，将来功率消耗解决方案定能更趋客制化，让喜欢在弱背光亮度的节能模式或者全亮度下看电视的使用者都能满足需求。