一种LED灯串故障自检测电路的设计与实现
2019-05-29杨彦卿
杨彦卿，郭 晨
(太原航空仪表有限公司，太原030006)
1 引 言
背光模组为液晶显示模块(LCM)的重要组成部分，是液晶显示器(LCD)能够显示画面的前提。LED背光模组因其具有超长寿命、省电、低操作电压、高显色指数、低温操作、反应速度快以及符合环保要求等特点已经成为液晶显示的主要背光方式[1]。而在实际应用当中，LED为点光源，作为背光，须特别注意液晶显示器的亮度均匀性。若有某串LED出现故障，就会出现暗线，应将周边的LED灯串加强点亮进行补光，弥补该处光度减弱的问题。因此，如果LED灯串具备故障自检测能力就能保证液晶显示器亮度均匀性，同时也能提高后期的维修效率。基于此，本文设计了一种LED背光模组中灯串故障自检测电路。
2 总体设计
本文以546 mm(21.5 in)液晶显示器的直下式LED背光模组[2]为例进行介绍。电路包括灯板和驱动板两部分。灯板是由36串LED灯组成，每串24颗，作为LCD背光光源；驱动板由CPU、升压电路、开关电路、恒流源电路和AD/DA转换电路组成,总体框图如图1所示，硬件详细设计见第三章。
图1 总体框图Fig.1 Main block diagram
灯串自检测原理为：LED背光模组上电后，第一步设置ON/OFF_1=1，使得开关电路1导通，输出直流+72 V,此时灯串1与恒流源电路1上产生电流，通过AD/DA转换电路采集AD1信号，判断灯串1是否故障(故障模式：断路)；同样，灯串7与恒流源电路2上也产生电流，通过AD/DA转换电路采集AD2信号，判断灯串7是否故障；灯串13与恒流源电路3上也产生电流，通过AD/DA转换电路采集AD3信号，判断灯串13是否故障；灯串19与恒流源电路4上也产生电流，通过AD/DA转换电路采集AD4信号，判断灯串19是否故障；灯串25与恒流源电路5上也产生电流，通过AD/DA转换电路采集AD5信号，判断灯串25是否故障；灯串31与恒流源电路6上也产生电流，通过AD/DA转换电路采集AD6信号，判断灯串31是否故障。第二步设置ON/OFF_2=1，使得开关电路2导通，输出直流+72 V,按照第一步中的原理依次判断灯串2、灯串8、灯串14、灯串20、灯串26、灯串32是否故障。第三步设置ON/OFF_3=1，使得开关电路3导通，输出直流+72 V,依次判断灯串3、灯串9、灯串15、灯串21、灯串27、灯串33是否故障。第四步设置ON/OFF_4=1，使得开关电路4导通，输出直流+72 V,依次判断灯串4、灯串10、灯串16、灯串22、灯串28、灯串34是否故障。第五步设置ON/OFF_5=1，使得开关电路5导通，输出直流+72 V,依次判断灯串5、灯串11、灯串17、灯串23、灯串29、灯串35是否故障。第六步设置ON/OFF_6=1，使得开关电路中6导通，输出直流+72 V,依次判断灯串6、灯串12、灯串18、灯串24、灯串30、灯串36是否故障。
3 硬件设计
3.1 灯板电路设计
546 mm(21.5 in)直下式LED背光模组灯板长508 mm(20 in)，宽203 mm(8 in)，在此面积内均匀分布LED灯，以满足最大亮度(不小于1 000 cd/m2)和亮度均匀性(不小于85%)的要求。通过计算和仿真，共需864颗LED灯，将其分为36串，每串24颗，其中6串1组，共划分为6组。每组由一个恒流源电路进行控制，6串LED灯由开关电路输出的6路电源分别供电。
3.2 驱动板电路设计
3.2.1 CPU
CPU采用TI公司的SM320F2812数字信号处理器，最高运行频率可以达到150 MHz，内部集成许多外设，能够提供整套的片上系统，最终实现更简单、高效的控制。其片上外设主要包括2×8路12位ADC，2路SCI，1路SPI，1路McBSP，1路eCAN接口，并带有两个时间管理模块(EVA、EVB)，分别包括6路PWM/CMP,2路QEP，3路CAP，2路16位定时器。另外，还具有3个独立的32位CPU定时器，多达56个独立编程的GPIO引脚，以及18 k的SARAM和128 k字的FLASH等资源[3]。
3.2.2 升压电路
升压电路采用TI公司的LM3478，并辅以周边典型的阻容器件实现，具体见图2。LED灯串所需电源为直流+72 V，因此需将LM3478设置为直流+72 V输出，根据LM3478输出电压配置公式(1)可得出R6阻值为2.1 kΩ。
R6= (1.26 V×R5)/(Vout-1.26 V)，
(1)
其中：R5=120 kΩ。
图2 升压电路原理图Fig.2 Schematic diagram of boost circuit
3.2.3 开关电路
开关电路主要由ROHM公司的NP双管SP8M51FRA实现[4],具体原理见图3。CPU输出的6个离散量信号ON/OFF分别控制6个开关电路的通断,当ON/OFF=1时，开关电路导通，输出直流+72 V，反之截止。
3.2.4 恒流源电路
恒流源电路由TI公司的轨对轨运算放大器TLV9062和AO公司的双N通道MOSFET管AO4892组成[5]，恒流源电路1原理见图4。
3.2.5 AD/DA转换电路
AD/DA转换电路主要采用TI公司的多通道模数/数模转换器AMC7836，具体原理见图5。
图3 开关电路原理图Fig.3 Schematic diagram of switching circuit
图4 恒流源电路1原理图Fig.4 Schematic diagram of constant current source 1
图5 AD/DA转换电路原理图Fig.5 Schematic diagram of AD/DA conversion circuit
该芯片包含一个21通道12位模数转换器(ADC)、16 个具有可编程输出范围的12 位数模转换器(DAC)、8个GPIO、一个内部基准电压以及一个本地温度传感器通道，且与CPU之间通过SPI总线进行接口通讯。
4 软件设计
本设计采用的软件开发环境是CCS3.1，该开发环境支持TI公司广泛的微控制器和嵌入式处理器产品系列，它包含了用于优化的C/C++编译器、源码编译器、项目构建环境、调试器、描述器等功能[6]。软件流程见图6。
具体实现如下：
(1)初始化CPU；
(2)初始化AMC7836；
(3)将ON/OFF_1对应的GPIO设置为高电
平输出，其余GPIO设置为低电平输出；
(4)开启AMC7836采集；
(5)顺序读取AD1、AD2、AD3、AD4、AD5、AD6对应的ADC通道数据；
(6)验证6个通道采集的数据是否正确，以此判断灯串1、灯串7、灯串13、灯串19、灯串25、灯串31有无故障；
(7)将ON/OFF_2对应的GPIO设置为高电平输出，其余GPIO设置为低电平输出；
(8)开启AMC7836采集；
(9)顺序读取AD1、AD2、AD3、AD4、AD5、AD6对应的ADC通道数据；
(10)验证6个通道采集的数据是否正确，以此判断灯串2、灯串8、灯串14、灯串20、灯串26、灯串32有无故障；
(11)将ON/OFF_3对应的GPIO设置为高电平输出，其余GPIO设置为低电平输出；
图6 软件设计流程图Fig.6 Software flow chart
(12)开启AMC7836采集；
(13)顺序读取AD1、AD2、AD3、AD4、AD5、AD6对应的ADC通道数据；
(14)验证6个通道采集的数据是否正确，以此判断灯串3、灯串9、灯串15、灯串21、灯串27、灯串33有无故障；
(15)将ON/OFF_4对应的GPIO设置为高电平输出，其余GPIO设置为低电平输出；
(16)开启AMC7836采集；
(17)顺序读取AD1、AD2、AD3、AD4、AD5、AD6对应的ADC通道数据；
(18)验证6个通道采集的数据是否正确，以此判断灯串4、灯串10、灯串16、灯串22、灯串28、灯串34有无故障；
(19)将ON/OFF_5对应的GPIO设置为高电平输出，其余GPIO设置为低电平输出；
(20)开启AMC7836采集；
(21)顺序读取AD1、AD2、AD3、AD4、AD5、AD6对应的ADC通道数据；
(22)验证6个通道采集的数据是否正确，以此判断灯串5、灯串11、灯串17、灯串23、灯串29、灯串35有无故障；
表1 LED灯串自检结果(正常)Tab.1 Self-detection result of LED string (normal)
表2 LED灯串自检结果(故障)Tab.2 Self-detection result of LED string (fault)
(23)将ON/OFF_6对应的GPIO设置为高电平输出，其余GPIO设置为低电平输出；
(24)开启AMC7836采集；
(25)顺序读取AD1、AD2、AD3、AD4、AD5、AD6对应的ADC通道数据；
(26)验证6个通道采集的数据是否正确，以此判断灯串6、灯串12、灯串18、灯串24、灯串30、灯串36有无故障；
(27)将自检结果进行存储。
5 结果分析
设置AD/DA转换电路中AMC7836的DA1～DA6输出电压为738 mV，LED灯串自检结果见表1所示；人为置灯串6和灯串25故障(断路)，LED灯串自检结果见表2所示。
6 结 论
本文设计了一种LED灯串故障自检测的电路，并以546 mm(21.5 in)液晶显示器的直下式LED背光模组的设计为例，详细阐述了硬件电路的组成，灯板、驱动板中CPU、升压电路、开关电路、恒流源电路和AD/DA转换电路的具体设计，以及软件的设计流程。结果表明：该电路可有效的对LED灯串进行故障自检测。目前该设计电路已经成功应用于我公司多种型号的LED背光模组中。
