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Mini-LED电源及背光控制系统设计

作者:胡向峰(创维集团显示科技事业部研究院,深圳 518108)时间:2021-11-05来源:电子产品世界收藏
编者按:本文介绍了新型显示技术Mini-LED背光在TV上应用时的电源及背光控制系统,详细分析了扫描方式在万分区级上的应用及与之匹配的电源系统及关键技术,对Mini-LED电视的开发及推广应用具有重要的借鉴和参考意义。


本文引用地址:http://www.eepw.com.cn/article/202111/429398.htm

0   引言

近年来, 领域备受行业关注,背光显示技术具有其他技术无法比拟的产业化优势, 未来的发展方向涵盖了大、中、小尺寸LCD显示背光以及LED 显示屏等,从市场应用来说,Mini-LED 的应用主要有两大方向:一个是LED 显示屏市场;另一个则是背光应用市场。其中LED 显示屏以及大尺寸电视将成为Mini-LED 未来应用的主流产品。

Mini-LED 背光TV 因其分区多、画质优、造型薄已成为TV 行业重点预研方向之一。在使用同等灯珠规格可满足整机亮度的情况下,采用动态方式控制LED 背光源,恒流驱动IC 对LED 分区进行矩阵式控制,可极大减少背光恒流驱动IC 使用数量,降低系统成本,大大提高了产品的竞争力。目前随着Mini-LED 灯珠成本的下降,以及生产工艺的提升,Mini-LED 作为TV背光源的可量产性也大大提高。

1   Mini-LED系统设计原理

随着显示技术的不断发展,LED TV 对画质的要求日益提高,Mini-LED TV 背光技术已成为近期的热点技术,行业内各厂家已经投入较多的资源研究开发。为了开发出高性价比、系统优的新品类Mini-LED背光TV 产品,做好背光驱动、背光控制、电源供电等技术,设计了一种系统较优的Mini-LED 背光TV 背光驱动及电源系统的设计方案,如图1 所示。

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图1 Mini-LED系统设计原理图

Mini-LED 显示系统硬件平台主要由主板、电源板、MCU 控制板、T-CON 板及灯板组成。其中,市电(一般为AC 220 V)通过AC 交流插座给电源板供电,电源板工作后给主板、T-CON 板、MCU 控制板及灯板供电,是Mini-LED 整机系统的供电设备。

主板为MCU 控制板提供控制信号(SPI 通信)及电源待机信号。MCU 控制板一部分为控制开关电路,用来实现灯板的控制,采用扫描控制方式后,可大幅减少恒流IC 控制数量;另一部分为灯板SPI 通信,实现灯板的区域调光功能。

2   Mini-LED电源及背光控制关键技术

2.1 分立式双电源供电系统设计

目前行业中高压供电系统的电源部分易于设计,系统灯数多,为了使系统最优,电源设计采用分立式低压大电流双电源供电系统架构,以减少灯数,同时,电源通过模组灯条双路电压反馈方式实时调节输出电压,做到恒流芯片开通低损耗,有效降低恒流IC 的热损耗。电源系统框图如图2 所示。

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图2 高效分立式双电源供电系统框图

① PFC 电路

采用交错式PFC 方案,降低PFC 功率器件的电应力和热损耗。

② LED 灯供电电源

采用分立式双电源半桥谐振软开关技术(LLC),如图2 所示LLC 电路1 和LLC 电路2,结合次级大电流同步整流电路1 和同步整流电路1,输出Vout1 和Vout2 给LED 灯板供电。采用分立式双电源供电系统可提高主电源效率,降低低压大电流引起的热损耗。如图2 红框内所示电路。

③主板供电电源

采用半桥谐振软开关技术(LLC),输出+12 V 给主板供电,同时通过T-CON 切换电路,给屏体玻璃T-CON 板供电;输出+20 V,给主板功放供电。

④待机电源

采用间歇振荡模式(Burst mode)方案提高轻载和待机效率,一方面输出+5 VSB 给主板做待机电源,做到待机低功耗,另一方面给恒流控制板供电。

2.2 背光源的动态扫描技术

1)动态扫描技术原理

Mini-LED 背光TV 因其分区多、画质优、造型薄已成为TV 行业重点预研方向之一。目前带有区域调光(local dimming)技术的电视,一般都采用静态方式控制,恒流驱动IC 对LED分区进行点对点控制,当分区数较多时,采用静态控制方式背光恒流IC 用量较多,电路成本较高,连接线多且工艺较为复杂。在使用同等灯珠规格可满足整机亮度的情况下,采用动态扫描方式控制LED 背光源,恒流驱动IC 对LED 分区进行矩阵式控制,可极大减少背光恒流驱动IC 使用数量,降低系统成本,大大提高产品的竞争力。

由于分区多,采用传统静态控制方式,恒流控制IC 数量多,热损耗大,成本高,因此,在TV 行业内采用扫描方式实现灯板的控制,该方案采用扫频LED 共阳极方式设计,由扫描MOS 管分时控制LED+ 的开通与关断,MCU 控制板对LED 分区进行矩阵式控制。在此,以聚积48CH的恒流驱动IC,以N 扫描方式设计为例,扫描方式的原理框图如图3 所示。

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图3 Mini-LED扫描原理图

该系统采用N 行动态扫描方式设计,扫描方式的原理框图具体参见图3。LED 灯条的阳极供电VLED 由N个MOS 管控制,MOS 管的驱动由MCU 控制器模块端口提供。当MCU 控制器模块及恒流驱动板的供电VCC稳定后,MCU 控制模块对恒流驱动板进行寄存器初始化,初始化完成后,MCU 控制模块检测是否有主板SPI数据输入,若有,则将数据信息分配到相对应的恒流驱动板中,若无数据输入,MCU 控制模块保持等待状态,所述数据信息包括LED 灯条的亮度及调光信息等。MCU 控制模块通过检测GCLK 信号作为计数信号,依次控制行扫描MOS 管的开通与关断,行扫描的开通顺序为行扫1 到行扫N,不断地循环开通,恒流驱动通过对LED- 端口的开通与关断,精确控制每一个LED 灯分区,每一帧画面亮度信息的切换通过Vsync 信号实现,当检测到Vsync 信号为高电平时,恒流驱动板刷新一次画面亮度信息,通过以上可实现对LED 背光源的动态扫描控制,从而到达减少恒流驱动板数量,降低系统成本的效果。

该方案支持4 线SPI 通信,通信从CS_N 由高到低转换开始,串行数据输入(SDI)上的数据在串行时钟(SCLK)的上升缘锁存。该协议由4 比特读/ 写命令、12 比特内存地址(Address),和16 比特数据(Data)组成,地址和数据从最高位(MSB)先发送,时序如图4 所示。

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图4 Mini-LED SPI时序图

2)MCU 控制及扫描切换技术

本方案采用低成本的MCU 控制方式替代业内普遍使用的FPGA 方案控制,SPI 频率可支持到100 MHz,满足系统传输数据要求,并为后续预留了一定的扩展空间。同时,设计开发扫描低延时切换扫描电路,满足系统恒流控制扫描切换的要求。MCU 控制及扫描切换技术系统如图5所示。

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图5 MCU控制及扫描切换技术系统框图

3   结束语

本文详细介绍了新型显示技术Mini-LED 背光在TV 上应用时的电源及背光控制系统,并给出了关键技术原理,即扫描控制背光区域调光技术、高效分立式双电源供电系统设计及MCU 控制及切换技术,满足系统设计要求,是一种系统较优的Mini-LED 背光TV 背光驱动及电源系统的设计方案,对Mini-LED 电视的开发及推广应用具有重要的借鉴和参考意义。

参考文献:

[1] 钟炎平,电力电子电路设计[M].武汉:华中科技大学出版社,2010.

[2] 康华光,电子技术基础[M].北京:高等教育出版社,2009.

[3] 张占松,蔡宣三.开关电源的原理与设计[M].北京:电子工业出版社,2004.

(本文来源于《电子产品世界》杂志2021年10月期)



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