基于高清LED背光芯片SY7732的应用系统设计

林建宇

(上海电力学院 电子与信息工程学院, 上海 200090)

高清背光发光二极管(Lighting Emitting Diode,LED)芯片是背光驱动电路的重要部分。SY7732高清LED背光芯片不仅能够在宽输入比时稳定地控制输出电流,而且具备低功耗和多种保护功能。

LED背光是指以LED作为显示器的背光源,组成阵列的LED直接发出光线而形成彩色画面。LED背光源是由众多栅格状的半导体组成,实现了光源的平面化。这样的设计不但具有优异的亮度均匀性,不需要复杂的光路设计,还具有厚度更薄、可靠性和稳定性更高等优点。LED背光技术有侧入式和直下式两种,它们各有优缺点。脉冲宽度调制(Pulse Width Modulation,PWM)调光可以在极短的时间内通过反复开关LED来改变输出平均电流,从而调节屏幕的亮度。目前市场上广泛采用PWM调光的原因是其易于实现,生产成本较低。

1 高清LED背光芯片SY7732系统的原理与电路设计

目前,8-bit/1 600万色,1 366×768(HD)分辨率,60 Hz刷新率是市场上高清LED背光显示屏的主流产品,也是各大高清LED电视背光屏厂商研发的目标。由于LED背光芯片直接影响显示屏的输出性能和特性,因此LED背光驱动电路[1-3]是高清LED背光屏驱动设计中最重要的电路单元。LED背光芯片需要具备驱动能力强、调光性高、功耗低、集成度高、成本低等特点。

本次高清背光应用系统的硬件设计主要包含驱动电路、调光电路、SY8205 DC-DC降压电路3部分。其工作原理如图1所示。

图1 背光LED应用系统的工作原理示意

1.1 背光驱动芯片SY7732的工作原理

Silergy半导体公司新推出的一款模-数混合型LED背光驱动芯片SY7732[4],适用于中型和大型的液晶背光显示屏。结合外部功率器件,能够驱动并控制16路高精密度白色LED负载,并可对每一路LED单独调光。芯片的16路灌电流通道提供恒定电流来驱动LED负载。每一路LED负载的数量仅受限于外部功率器件的额定值。芯片SY7732兼容SPI协议总线。其内部提供脉冲宽度调制比调光模式和模拟调光模式。背光驱动芯片SY7732主要管脚功能如表1所示[4]。

表1 背光驱动芯片SY7732的主要管脚功能

芯片SY7732配置了八位字节接口来实现标准SPI总线互连,并包含以下4个信号线:SCLK为同步时钟;CSB为片选信号,低电平有效;MOSI为SPI数据输出,负责向芯片写入操作;MISO为SPI数据输入,从芯片读取操作。

在芯片标准工作时,SPI接口接收控制单元外部SPI信号数据,并传输至芯片的寄存器,完成输出电流设置、脉冲宽度调制占空比等功能。在使用SPI总线编程13位PWM调光占空比时,其占空比对应的数据如表2所示。

表2 PWM占空比与芯片SY7732寄存器数值的数据关系

1.2 基于芯片SY7732的驱动电路设计

为了实现驱动16路背光LED负载并完成调光测试,设计了基于芯片SY7732的驱动电路,包括:每一路作为开关的功率场效应管、作为反馈采样的采样电阻,以及为引脚提供充电和滤波的电容。根据计算公式和实际要求,完成器件选型和电路设计。

驱动电路的工作原理如图2所示[5]。

图2 基于芯片SY7732的背光驱动电路工作原理

外部电压32 V经过DC-DC降压后为LED提供25 V输入电压,通过分压电阻RFB来采样输出电压,并反馈至芯片SY7732的FB1引脚。16路LED背光负载对应16个作为开关的功率MOS管,MOS管的漏极(D[1～16])、门极(G[1～16])、源极(S[1～16])都连接至芯片SY7732对应的引脚上,通过芯片内部的比较器来检测MOS管三极的电压,源极到地之间串联采样电阻(Rsense[1～16]),以检测输出电流。PWM信号按照占空比来调节门极和源极间的电压UGS的值,实现MOS管的开断,改变输出的平均电流,从而改变LED背光的亮度。

芯片SY7732的典型应用是在42英寸LCD显示屏中的LED背光,其具有以下要求:芯片SY7732输入电压Uin为12 V±20%;16路输出,每路10颗背光灯珠;每颗背光灯珠的电压为1.8 V±200 mV;芯片SY7732的DC-DC反馈引脚的电压UFB为5 V。

设计驱动电路时,应确定驱动LED所需的DC-DC输出电压的范围。在上述情况下,LED的输出电压Uout=3.5 V±200 mV,一行10颗背光灯珠所需的最大正向电压约为(1.8 V+200 mV)×10=20 V,如果保留20%的余量,则最大DC-DC输出电压约为25 V。一行10个背光灯珠所需的最小正向电压约为(1.8 V-200 mV)×10=16 V,如果保留10%的余量,则最小DC-DC输出电压大约为15 V。因此,DC-DC输出电压的范围是15～25 V。

1.3 DC-DC降压电路设计

降压电路模块主要采用SY8205FC DC-DC芯片,完成32 V输入电压降压为15～25V输出电压的过程。

芯片SY8205是一种同步降压调节器集成电路。它将PWM控制、顶部和底部开关集成在一起,使开关转换损耗和导通损耗最小化。通过电源开关和专有的PWM控制,可以同时实现最高的效率和最高的开关频率,使外部电感和电容最小化,从而实现最小的占用空间。芯片SY8205提供逐周期限流和热关断保护等保护功能,还可检测故障保护的输出电压条件。

2 芯片SY7732的背光性能测试

2.1 输出电流调光线性度

对于脉冲宽度调制比调光来说,随着PWM占空比的变化,理想输出电流也会按照等比例随之变化。但在实际情况下,输出纹波电流、LED温升漂移等因素会造成输出电流的变化比例存在误差。调光线性度反映了一个背光驱动芯片调光水平的精确性。芯片的调光线性度越好,说明输出电流和占空比的比值越趋近于定值。

在已经搭好外围电路且芯片SY7732正常工作的情况下,每一路输出上串联一个电流表,记录输出电流Iout。通过SPI总线向对应的寄存器地址位写入数据,改变PWM占空比,每次步长为1%,范围为0.1%～100%,记录输出电流的值,并绘制出曲线拟合斜率,如图3所示。

图3 输出电流调光线性度的测试结果

通过Original 8.0将Iled1实际输出电流值曲线拟合出斜率,其拟合公式为k=ΔIout/Δduty,其中Δduty为占空比增量。

调光线性度的计算公式为

(1)

式中:kLED——输出电流的测量斜率;

kidol——理想情况下的斜率。

经计算,输出电流调光线性度为0.47%,小于经验值0.5%。这说明实际输出电流与理想输出电流的偏差很小,芯片SY7732高清LED背光驱动应用系统具有很高的调光精度,能够精确地按照PWM占空比来调整输出电流。

2.2 背光效率

16路LED背光驱动的效率计算公式为

(2)

式中:Iin——输入电流;

ILEDn——第n路LED的输出电流;

Uoutn——第n路LED的输出电压。

开启已经搭设好的应用板,点亮外部LED负载。使用SPI总线改变PWM占空比范围为1%～100%,取7组数据。使用万用表测量每一路的输出电压,并记录输入电压Uin,输入电流Iin,总输出电压Uout和总输出电流ILED的数值。测量和计算结果分别如表3所示。

由表3可以看出,芯片SY7732的效率Efficiency在重载(PWM占空比在25%～100%)时可达到98%以上,轻载(PWM占空比在10%以下)时可达到95%以上。这说明芯片SY7732的静态损耗较低,并具有良好的转换效率。

表3 16路LED背光驱动的测试数据和效率

2.3 电流匹配性

电流匹配性的定义为:在多路输出的LED中,每一路的输出电流与其他路输出电流的相差性。对于多个调光占空比相同的LED来说,电流匹配性越高,说明这一路与其他路的输出电流相差就越小,色差越小,视觉效果越好,背光芯片对输出的补偿损耗就越小。对于芯片SY7732的16路输出电流来说,电流匹配性为输出电流最大值和最小值的相差值与输出电流平均值的比值。其计算公式为

(2)

根据测量数据和电流匹配性公式,得出电流匹配性的性能测试结果如表4所示。

表4 电流匹配性的测试结果

由表4可知:在PWM占空比为1%～100%时,电流匹配性小于0.9%;在PWM占空比为5%～100%时,电流匹配性小于经验值0.6%。说明在多路输出相同时,芯片SY7732可以均匀分配每一路输出电流,每一路与其他路的输出电流相差很小,LED背光色感偏差小。总体上,随着PWM占空比的增大,电流匹配性的值越小,电流匹配性越好,LED背光色感偏差越小。

综上所述,通过使用SPI通信总线控制芯片SY7732的PWM调光,芯片SY7732的调光线性度小于0.5%的经验值,具有很高的调光精度,能够精确地按照PWM占空比来调整输出电流;芯片SY7732的效率在重载时可达到98%,轻载时可达到95%,静态损耗和热功耗非常低,具有良好的转换效率;芯片SY7732的电流匹配性小于经验值0.6%,在多路输出调光比相同时,每一路的输出电流均匀分配总电流,LED色感偏差非常小。在多路输出调光不同时,能够对每一路输出都进行精确且不同的调整。

3 结 语

本文设计了基于SY7732高清背光LED芯片的应用系统,使用SPI总线控制芯片SY7732的PWM调光功能,实现了稳定的驱动功率MOS管和控制输出电流。在背光特性方面,它能精确地按照调光占空比对输出信号进行调光,多通道输出时能实现每个通道的电流平均分配和高背光效率。因此,此应用系统能完成调光线性度、背光效率和电流匹配性功能,具有一定的实用价值。