基于高压LED搭建的背光控制电视系统

摘 要：本文引入一种应用在局部背光调节系统的新型高压LED方案，并对其进行了详细讲述，与传统方案相 比，新方案无论是在可靠性、成本、还是效率方面均有不同程度的优化，值得学习和推广。

关键词：局部背光调节；高压LED；BUCK 横流模块；可靠性

随着消费者对液晶电视机画质要求的不断提升，Local Dimming（局部背光调节）作为提升对比度的主要技术受到了各大电视机厂家的青睐。众所周知，电视机的分区越多，Local Dimming 的效果越好，动态对比度越高，画质更佳。而在电视机上引入 Local Dimming 技术，通常都会对电视机背光进行分区处理，几颗灯一区或者一颗灯一区，主板实时根据图像信号的亮度算法对每个区域进行亮度分析，将结果以电流值的形式与 SPI 的方式传输给背光的每一区，从而达到对背光进行实时亮度调节的目的，表现为亮的区域更亮、暗的地方更暗，从而提高动态对比度。

1 传统Local Dimming方案分析

目前高端 Local Dimming 电视产品均做到了一颗灯一区或者几灯一区，主流 LED（发光二极管）的驱动电压为 3.3 V，配套的电源板使用 12 V 输出给恒流板供电，恒流板通过 BUCK 电路将 12 V 降压至 3.3 V 给 LED 供电，然后通过恒流芯片进行恒流处理。因采用该种驱动方式的电视分区多，模组亮度指标高，在用户观赏方面，电视机显示清晰醒目，色彩艳丽，画质极佳，深受消费者的喜爱。但是此种驱动方式由于 LED 使用大电流驱动，各区 LED 的负极到恒流板的路径较长，因此线损很大，恒流板因为负极线产生的热而温度较高，对稳压二极管等元器件的耐电流能力要求较高，在选型上带来诸多不便，温度方面需要通过加散热片才能满足要求。整体来说，该系统电源效率低、线损大、可靠性低，成本相对较高。

2 新型高压LED Local Dimming方案

如何优化 Local Dimming 所存在的如上几点问题？同时随着分区越来越多，如何在有限的 PCB 面积上容纳更多的元器件？这些都是要去面对的问题。在此，我们引入高压 LED 的概念，即改变 LED 的电气特性，将 LED 的电气规格由 3.3 V、300 mA 改变成 24 V、40 mA 的规格，同时保持其光学特性不变（包括 LED 的发光亮度、发光曲线以及与光学 LENS 的匹配光型）。这样做的目的在于：使用 24 V 高电压规格的 LED，恒流板无需进行降压处理，而是直接通过电源板输出 24 V 电 压给 LED 供电并通过恒流 IC 对 LED 进行恒流驱动，即可以让恒流板省去 12 V 转 3.3 V 的 BUCK 电路。LED 的驱动电流由 300 mA 降低至 40 mA, 电源板的输出电流降低至之前的33%，相关元器件均可以降低耐流值规格，选择性更多，价格也会相应降低。同时整个系统LED的环路线损也仅为之前的13.3%，线损大大降低。恒流板的元器件温升较之前也有较大改善，可靠性更佳。由于恒流板省去了 BUCK 单元电路，PCB 的空间更加充足，布局、走线更方便，PCB 板可以由之前的四层板改为两层板，成本更低。总之，使用 24 V LED 方案会给整个系统带来诸多方面的优化，如成本、可靠性、效率、恒流板布板面积等等。接下来将对 24 V 高压 LED 方案进行详细的讲述。

首先从电源系统框图上对 3.3 V LED 系统和 24 V LED 系统框图进行对比，其框图分别如图 1 和图 2 所示。

对比框图可以看出，24 V LED 系统与 3.3 V LED 系统的差异在于电源板的供电输出和恒流板的恒流模块。以 65G8210 背光模组为例，背光为 108 区，当有一颗灯一区时，3.3 V LED 系统 LED 需要 3.3 V 供电规格，低电压需要通过降压的方式实现，体现在电源系统上为电 源板 12 V 供电，通过 BUCK 电路降压 至 3.3 V。24 V LED 系统需输出 24 V 规格，电源可直 接提供 24 V 规格的输出，无需进行 BUCK 处理。24 V LED 系统较 3.3 V LED 系统的差异在于电源板的输出规格以及恒流板板有无BUCK电路。

3.3 V LED 系统以及 24 V 系统恒流板恒流模块原理图对比如图 4 和图 5 所示。

3.3 V BUCK 降压模块选用 TI 公司的 TPS54531 为降压 IC，该 IC 具有 3.5~28 V 的宽范围输入，集成一个低 Rds 的 MOSFET，可以有效减少 BUCK 系统电路的体积。以65G8210为例，恒流板使用 18 个 BUCK单元电路，为 LED 负载供电。

3.3 V 恒流控制模块主 IC 使用 Iwatt7025 恒流 IC，该 IC 具有多达 16 路的恒流控制，每路供电电压可高达 85 V，整个 108 区 恒流板使用 9 颗恒流板 IC。

其恒流板上实物对比图如图 6、图 7 所示，省去 BUCK 电路后，电路更简洁，PCB 布板空间更大。

3 两种方案对比

3.1 可靠性

系统可靠性，主要包括 LED 的可靠性和电源板、恒流板的可靠性。可靠性还主要体现在元器件温升上，表 1 为两个系统的温度对比表，从表中可以看出，24 V LED 系统在电源板和恒流板的元器件温升上起到了很大的改善作用，即使是温度降低最少的元器件也有 21 ℃。 对于模组部分，有约 5 ℃ 的改善。系统温升的降低可以大幅提升整体的可靠性，使电视使用寿命更长。

3.2 光学数据

光学数据方面，使用 3.3 V LED 量产的 65G8210 整机，180 颗灯，108 区，驱动电流 280 mA，整机亮度为 1 011 nits，功率为 271 W。在相同的膜片和结构搭配下，使用 24 V LED，180 颗灯，108 区，驱动电流 40 mA，整机亮度为 1 023 nits，功率为 253.5 W。从亮度数据上看，亮度基本上一致。从两组数据对比中可以看出，在亮度指标相同的条件下，24 V LED 可以节省 17.5 W 的功率，可见 24 V LED 系统的效率更高。

3.3 主观数据

在主观视效方面，24 V LED 与 3.3 V LED 视效一样好，主观视效基本上一致。具体视效图如图 8 和图 9 所示。

4 结语

以上是基于 24 V LED 搭建的 Local Dimming 电视机系统，相对于传统的低压 LED Local Dimming 方案，在系统可靠性、系统成本、视效等方面均有不同程度的 改善。该技术方案属于国内首例，具有积极的带动作用，该方案的推出，改变现有区域调光的系统方案，提供更为可靠、低成本的系统。同时该方案的推出将对节能减排做出积极的贡献，符合国家的绿色环保理念，值得推广。本方案的顺利完成，奠定了 HDR 技术基础，为后续高端系列产品开发积累了经验。

(注：本文转载自《电子产品世界》杂志2022年10月期)