用于降低液晶电视机功耗的LED驱动技术 电视机, 技术

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作者: Peter Rust, Werner Schοgler, Manfred Pauritsch, Herbert Truppe

据超高能效设备与电器推广(SEAD)项目估计，电视机能耗大约占全球居民消耗电能的3%至8%。由劳伦斯伯克利实验室开展的研究分析认为，如果采用更加高效的LED驱动等先进技术，将可以显著降低电视机的能耗。

几乎毫无疑问的是，采用LED背光照明的液晶显示器(LCD)技术是达到权威机构建议的效率目标的唯一可行方法。等离子电视机的缺点是每个像素都是有源发光体，因此其功耗直接正比于像素的数量。在相同分辨率和亮度条件下，高清等离子电视机的功耗大约是LCD显示器的2至3倍。而广为宣传的OLED技术并没那么快上市，而且这种“极度前沿的”大屏幕技术要求的投资额是非常巨大的。然而，采用目前最先进的TFT-LCD技术和具有“智能”直接LED背光照明及局部调光功能的大显示屏要比OLED便宜许多，而功耗和图像质量相近。

但目前的液晶电视机，包括采用LED背光照明的液晶电视机，仍与它们在今后几年中要达成的效率目标有一定差距。不过最新的LED驱动电路设计技术具有显著的节能效果，在帮助电视机制造商满足严格的功耗要求方面可以发挥较为深远的作用。

不断变化的电视机功耗标准要求

能源之星电视机功耗标准是2008年推出的，这个标准中的电视机功耗指标每年都会不断降低。由于不管多大尺寸的电视机，目前标准允许的最大功耗都是85瓦，因此对大屏幕电视机来说设计挑战会更加艰巨。

虽然能源之星是自发标准，但具有很大的影响力，而且也不是唯一的一种法规。例如加州能源委员会就颁布有自己的标准。他们这个标准比能源之星标准还要严格，并且具有很大的杀伤力——它禁止在加州地区销售不能满足其能效指标的电视机。在欧洲，相关法规也已颁布很多年了，允许对白色家电的能耗进行直接比较(欧盟能源标签)，消费者经常把它作为购买决策的基本依据。对电视机、汽车等产品来说这些法规现在都是强制性的。

LED背光照明的工作原理

由于LED背光照明功耗约占液晶电视机整个系统功耗的30%至70%，因此提高背光照明电路效率对改进系统效率有相当大的作用。正如电源系统设计中经常遇到的情况那样，许多不起眼的效率改进措施组合在一起可以实现显著的节能效果。

LED背光照明的实现方式主要有两种(见图1)。在间接或边缘点亮式背光照明方案中，LED放置于屏幕的边缘，并通过导光装置将光线均匀的分布到整个显示器。这种方案在大至40英寸的屏幕中具有很好的光学均匀性，而且背光照明部件的厚度只有5mm至10mm。



图1：液晶电视机可以采用两种LED背光照明方式中的一种。

在直接背照系统中，LED直接布置于LCD的后面，具有低功耗、良好的热设计和优秀的可扩展性能，特别是对屏幕尺寸没有限制。这种屏的厚度通常要比边缘点亮型屏厚，但借助于最新的发光技术，现在这种显示器厚度也可以做到8mm了。直接背光照明的一个重要优点是，它可以实现复杂的局部调光功能，进而降低功耗，提高动态对比度，使最新的电视机设计能与OLED相媲美。

LED背照系统的架构选择

设计师一般会根据最大限度地节省能耗和显著增强图像质量标准来选择LED背照驱动系统的架构。另外，设计师也希望能在本地控制LED串和最低的材料清单(BOM)成本之间取得最佳平衡。

单串和单个DC/DC转换器

这种方案用开关电源(SMPS)给成串放置的背照LED提供电压，并用电流槽来调节流经LED串的电流。为了尽量降低功耗，ILED电流槽处的电压要求比必需电压高一点，以便保证LED能够接收到规定的电流(见图2)。



图2：单串、单个DC/DC转换器的背照系统架构。

常见的设计方法是建立一个从ILED电流槽到开关电源的反馈路径，用于调节开关电源的输出电压。这条反馈路径建立后就允许不同LED之间存在的正向电压(Vf)变化。白色LED的Vf典型值约为3.2V，但不同LED的变化可能高达±200mV。因此，在有10个LED的串中，总的VLED电压值可能在30V至34V范围内。

DC/DC转换器要求的输出电压可以表示为：




假设VSINK为0.5V，那么ILED电流槽必须将VDC-DC调整到30.5V至34.5V范围内，具体取决于实际的LED正向电压。

多串和多个DC/DC转换器

单串的LED很少能够满足要求，因为随着串中LED数量的增加，DC/DC转换器的输出电压也要随之增加。在VOUT/VIN超过某个比值后，开关电源的效率会急剧下降。因此LED背光设计师可以使用多个LED串来避免开关电源输出过高的电压。

最简单的方法是每个串复制单个串单个DC/DC转换器的拓扑(见图3)。这种方法的优势是效率高，因为每个串的电压可以单独调节。缺点是成本高，因为每个串需要自己的DC/DC转换器、MOSFET、线圈、二极管和输出电容。为了节省BOM成本，设计师可以通过使用长串来减少LED通道的数量，即在每个串中使用更多的LED。但这种方法会牺牲系统实现局部调光的能力，而这是另外一种重要的节能技术。因此这种拓扑不管怎样变换都不会特别吸引人。



图3：每个LED串使用单独的DC/DC转换器是一种昂贵的方案。

多个串使用一个DC/DC转换器

多个串加上单个DC/DC转换器的拓扑是降低BOM成本的一种更好方法(见图4)。该方法的缺点是，开关电源的电压必须调节到高过具有最大正向电压的那个LED串，这意味着系统的工作电压要高于具有较低正向电压的那些串所必需的电压，也即意味着ILED电流槽必须从具有较低正向电压的LED串上消耗过多的功率，这会产生必须从电路板散发的过多热量，从而降低能效。



图4：采用一个DC/DC转换器接多个LED串的拓扑时，开关电源的电压无法做到最优。

多串混合架构

整合了多串部件和多个DC/DC转换器的架构可以在效率和BOM成本之间提供最佳平衡。这种混合架构(见图5)有多个DC/DC转换器为LED串组供电。



图5：混合架构可以在BOM成本和能效之间达到最佳平衡。

这种解决方案可以提供最高的总体能效，因为它整合了直接背照系统中的局部调光优势和良好的DC/DC输出电压调节功能，而且还可以通过高效的多个串、多个DC/DC转换器架构提供真正的BOM节省。

调节电流以匹配LED的特性

LED制造工艺会造成不同LED之间的亮度和色温有很大的变化。为了方便用户，白色LED制造商会将每个制造的单元分配到在颜色、亮度和正向电压方面性能相当的LED组或“箱”。但制造商针对每个亮度和色温箱制订的规格只在特定标称工作条件下才有效。这意味着LED电流必须设置为数据手册中规定的标称电流才能产生规定的亮度和颜色。

结果是，只能通过数字PWM控制信号将任何一个LED的电流切换到导通(标称电流)或关断(零电流)状态才能实现调光和亮度控制功能。在模拟调光时，LED将工作在规定的标称电流范围之外，这将导致不可接受的色温变化和不良的LED至LED亮度匹配(见图6)。



图6：来自相同箱的LED亮度只有在标称电流时才能保证匹配(本例中为20mA)。

电流槽特性

由于LED要求完全稳定的恒流电源，因此LED驱动器的主要作用只需是在导通时将电流设为标称值，在关断时将电流设为0A。这样，控制调节精度的反馈环路要求使用特别精密的电流槽(见图7)。

虽然市场上有各种电流槽设计，但电视机背光照明的高精度要求(电流调整率高于±0.5%)需要使用精密运放来设置独立于ILED电压的ILED电流。但在背光照明驱动器应用中，任务更具挑战性，因为即使电流槽的电压降低到非常小时也必须保持电流调整的精度。

这是一个很难满足的要求，但AMS公司提供的四代高精度电流槽LED驱动器——AS369x、AS381x、AS382x、AS385x就是特别针对这种应用设计的。这些器件也采用了偏移补偿式运放。电流槽驱动器要求漏极处于最小电压值(VDS(sat))，以便确保电流槽晶体管在饱和区内具有完整的精度并能够正确地工作。在饱和区内，栅极－源极电压主要用于控制输出电流。

如果想要电流槽高效率地工作，VSET和VDS之间的压降要低，这一点很重要。采用运放并内置偏移抵消功能的LED驱动器可以保持VSET电平低至125mV至250mV。要想使VDS具有超过VDS(sat) 150mV的额外余量，电流槽的总压降必须在400mV左右。对于具有8个LED的串来说(此时Vf?= 8 x 3.2 = 25.6 V)，ISINK中的功率损失约为1.5%。当AMS背光LED驱动器中不包含偏移抵消功能时，VSET的值将更高，这将使电流槽的功率损失更多。



图7：电流槽设计；精密电流槽要求使用带偏移补偿功能的精密运放。

用于优化功耗的反馈调节机制

如上所示，从LED驱动器到开关电源建立的反馈路径将漏极电压设置为最低要求值。输出电流槽可以用简单且成熟的电流输出驱动器加上一个外部电容来实现(见图9中的左图)，或者使用能够设定启动/释放时间并用数模转换器控制电流输出的数字控制电路来实现(IDAC)(见图8中的右图)。



图8：至开关电源的反馈环路的两种不同实现方法。

这两种解决方案都具有很高的效率，能使用各种带电压反馈环路的开关电源，而且都可以通过将反馈回路从不止一个驱动器连接到同一开关电源来实现，这正是混合架构系统的要求。

然而，第二种数字实现方法具有一些特定的优势。除了同样不要求使用输出电容外，这种数字电路还能让设计师自由地定义反馈系统的启动和释放时间。通过选择快速启动时间以及释放延时和相对缓慢释放的组合，可以显著提高显示器的性能。这种好处在要求快速改变亮度的场合特别明显。在这种情况下，当屏幕从黑暗改变到全亮时，快速启动时间可以消除可觉察的亮度瑕疵。模拟解决方案(见图8)是在很短的暗帧期间逐渐调节LED输出的，因此下一个亮帧达到全亮会有个可见的延迟。

这个现象会让电视观众分心，因为电影和其它视频内容的帧与帧之间有很大的动态范围。这种瑕疵可以用数字调节电路来消除，方法是在释放操作中插入几百毫秒的延时。这样，当亮帧被一系列短的暗帧中断时，第2个亮帧将从全亮时开始，因为驱动器会自动延迟电压下降过程。AMS产品中就使用了能够实现释放延迟的数字反馈算法。

LED驱动器IC中集成的另外一个有用功能是快速串行外设接口(SPI)。在直接背照电视机中，LED被安排在大量相对短的串中，因此小尺寸的显示屏可以通过调暗光线达到节能的效果。通常这种安排在16x16的场矩阵中包含256个通道，每个通道可以通过脉宽调制(PWM)单独配置。但利用可变PWM宽度和延时产生256个PWM信号是一个极耗处理器资源的任务，即使是最快的微控制器也会不堪重负。

因此这些背光照明系统都是使用集成在LED驱动器IC中的PWM发生器，这样就可以通过简单的SPI数据传输来配置亮度。在具有多个驱动器IC的架构中(如每个IC有16个通道，总共16个IC有256个通道)，LED通道可以通过建立SPI信号菊花链并将VSYNC帧中使用的数据传输到前一帧进行配置。

在这种方案中，通过SPI的数据传输速度可以达到20Mb/s，或在400Hz帧速率时达到50kb/帧。这个速度足够快到以同步实际帧的速度改变每个场的调光效果。因此只需很少的微控制器开销就可以实现理想的局部调光功能。

边缘照明系统的智能调光功能

这种局部调光技术只能用在直接背照系统中，不过在边缘照明系统中也可以实现一些特定的智能调光技术。尤其是PWM调光，它能在不改变白色LED的色温条件下改变亮度。与让边缘照明LED永久设为一个特定的亮度值不同，这时的亮度可以通过改变脉冲宽度来动态改变。

还有一种节能技术叫动态亮度调节(DLS)。采用这种技术后，LCD的白色/亮度值可以在某些场合增加，从而允许降低背光LED的功率输出。

使用环境光线传感器(ALS)是另外一种降低功耗的方法。如果放置电视机的室内光线相当暗，可以减小背光灯亮度(见图9)



图9：使用智能LED驱动器和智能ALS传感器的节能方法。

电视机制造商正在研究更为复杂的方法。举例来说，照相机开始进入显示器设计中，它能让消费者在电视机上使用视频电话服务，如Skype。这些照相机还可以用来检测是否确实有人在看电视。如果电视机开着，但房间里没人，可以自动将背光灯降低到最低亮度。

甚至还可以实现定制的能耗模式。虽然你可能喜欢在降低背光照明亮度的能源友好生态模式下观看电视，但家里的其它成员可能喜欢高亮观看。

总之，通过实现目前先进的高效LED驱动技术可以达到显著的节能效果。由于更加严格的法规在不断降低新款电视机允许消耗的最大功率，这种技术的重要性将越来越突出。