大功率LED作為大屏幕液晶顯示器背光的電流分配問題解決方案

2020-12-04 電子產品世界

因為冷陰極螢光燈(CCFL)成本非常低，通常大屏幕液晶顯示器(LCD)使用CCFL作為背光源產生均勻的白光。不過將發光二極體(LED)用作背光燈正在引起主要製造商們的注意。LED在尺寸、能量效率、光譜純度、機械強度、可靠性和消除汞等有害物質方面都勝過CCFL。

本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/169419.htm

白光可以來自單個白色LED；也可以由三個獨立的色譜與LCD像素色彩濾波器非常匹配的R-G-B LED產生。該技術可以大幅提高發光效率和色彩範圍，從而使顯示效果更加清晰、鮮豔。目前採用CCFL背光燈的LCD只能產生70-80%的NTSC制顏色，而採用LED背光燈的新型顯示器可以產生NTSC制式中定義的所有顏色，甚至還能產生NTSC定義範圍之外的顏色。利用LED超快的開關時間，背光強度可以被調節，從而進一步增強圖像對比度，減少快速運動圖像產生的拖尾現象。

想在小屏幕LCD監視器(一般是19英寸)中替換CCFL，可以在外殼四周部署三色LED器件來代替CCFL管。通常只是光源被更換(從CCFL到LED串)，外殼、光導和光膜可以保持不變。而對較大尺寸的LCD(20英寸以上)而言，由於要求較高的光通量，可以在LCD面板背後直接部署LED矩陣，並使必要的擴散層和光膜夾在這些LED矩陣之間。 LED矩陣大小隨面板尺寸而變，一般為幾百個LED。為了確保均勻的照明，需要在標準的光膜上使用專門的衍射散射層。隨著技術的進步，半導體晶片的輸出亮度會越來越高，因此串聯式或矩陣式LED中的LED數量可以變少，從而進一步降低材料和系統成本。

然設計師還必須面對諸多的挑戰，比如在溫度變化和LED逐漸老化的情況下保持光譜的一致性。不過這種技術是很有前途的。一些主要的筆記本電腦製造商正計劃推出更多採用LED背光燈的產品。大屏幕電視機製造商也已經在這方面投入大量資源，因此LED背光燈有望在消費類市場中越來越流行。

最近在背光燈面板技術方面有所突破，已經可以在LCD的背光面板中使用最新推出的高亮度白色LED。這些新的LED需要封裝尺寸非常小、功率達200W的4V直流電源。這種設計採用的是一家非上市公司發明的專利技術，這家公司致力於開發和銷售創新的高動態範圍(HDR)圖像技術。這種技術可以用來製造更高亮度的顯示器。通過使用增強型視頻處理算法調整LED的亮度，所發出的亮度可以比傳統的LCD高10倍。背光燈中的每個LED都是獨立可尋址的，因此光強度可以逐幀甚至逐個微區域地動態改變。這種技術可以實現更高動態範圍的顯示器，與以前技術相比可以使黑的地方更黑，亮的地方更亮，從而顯著提高圖像的清晰度。該技術已經在一些高端成像設備使用的大屏幕顯示器(37和46英寸高清晰顯示器)中得到應用。

這些新的LED需要封裝尺寸非常小、功率可達200W的4V直流電源。以前的產品都是使用一個500A的5.5V電源，在顯示器中處理這麼大的電流分配非常困難。中轉總線變換器(BCM) 是一種V・I晶片模塊，設計用於大功率LED應用以解決電流分配問題。BCM採用了Vicor公司獲得專利的正弦幅度轉換器(SAC)拓撲結構，具有先進的功率密度、效率和低噪聲性能。BCM的外形尺寸只有1.1平方英寸，典型重量為15克，可以提供一個隔離和降壓電壓供非隔離負載點轉換器(niPOL)使用。由於它具有快速響應和低的輸出噪聲，負載端常用的壽命有限的鋁電解或鉭電容可以被減少或取消，從而有效節省電路板面積、材料和總體系統成本。

現在系統可以用更低的電流分配48V電壓到任意位置，然後再局部降壓至大電流的4V。每塊大板上有4塊小板組成1個系統，因此每個系統中總共有16個 BCM。結果是每塊板運行於200A、4V的電源。相反，如果系統由一個大電源支持，它需要一個800A的電源，當然這樣的電源是很危險的。這就是為何 20A的48V電壓被分配到各個板的原因，這種電源具有更高的可管理性和相當好的熔斷性。

BCM因為以下幾大因素而成為恰當的解決方案。首先是BCM的尺寸和效率，它不需要使用任何專門的散熱器。其次，它工作在48V的安全電壓(SELV)。BCM還能提供針對不同應用優化了的不同標準的輸出電壓。通常上述應用中的系統輸入電壓需要調整到4.1V至4.2V的工作電壓。由於BCM是一種轉換器而不是一種穩壓器，設計師可以使用高達48V的輸入電壓來獲得他們所需的指定輸出電壓。

其它背光方案要求用恆定電流來驅動串連著的大功率LED陣列。一般來說，恆定電流是用來確保可預測的發光亮度和色度值。V・I晶片非隔離預穩壓模塊 (PRM)穩壓器和倍增電流電壓轉換模塊(VTM)電壓變換器雖然主要設計用於利用自適應環路穩壓方法提供穩定的電壓，但也可通^蔚碾路修改而_至恆定的輸出電流。

與傳統方法相比，使用PRM和VTM提供恆定電流具有許多優點。在系統中使用VTM可以倍增負載點的電流，VTM的輸出電流正比於它的輸入電流(如以下公式1所示)。

其中K是VTM的K係數，或簡單地將其稱之為降壓比。

因此在受控的電流應用中，可以通過檢測和調節VTM的輸入電流來控制其輸出電流。檢測更低的電流需要更小的傳感器，從而消耗更低的功率，提高總體效率。另外，V・I晶片本身也具有很高的效率和功率密度，使得整個LED系統體積小、溫度低，並能使每瓦功耗得到的輸出流明數最大。

大多數已知的LED類型可以用單個PRM+VTM對驅動。PRM用內部電壓環路預先進行配置，以便將PRM的輸出電壓調整到一個設定值。PRM的內部工作原理應該非常好理解，因為外部恆流電路是設計與內部電壓控制環路一起工作的，可以通過改變PRM電壓參考值來調節VTM的輸出電流。

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