直下式液晶电视背光源控制技术

2020-06-18何胜斌

山西电子技术 2020年3期

何胜斌

(深圳市兆驰股份有限公司，广东深圳 518026)

0 引言

液晶电视目前占据了大众家庭客厅娱乐中心的位置，是老百姓必备的家电产品之一。从原来的传统电视节目到互联网的兴起和传播，内容越来越丰富，液晶电视拓展到在看电视台节目的同时，还可以视频点播、在线购物、网络教育、即时视频等活动。消费的需求同时推动着液晶电视产业向着大尺寸、高清、卓越画质、节能方向发展。

1 图像显示原理

一台电视机需要光学器件配合光源发出的光，透过液晶面板，加上软件、电路控制，人眼才能看到丰富的电视图像。技术上光源有两种形式：直下式背光源和侧光式背光源。无论哪种背光源，随着液晶电视朝着轻、薄方向发展，目前全是用LED灯发光来完成的。背光源的一致性(画质)、高效性(节能)、便于控制(用户体验)是其中三个最重要的设计因素。

2 LED工作原理及特点

LED(light-emitting diode)，中文名字就是发光二极管，属于电流型非线性元件。工作图形如图1，工作时发出的能量即大家看见的光。

人眼对光的颜色和亮度的分辨率很高，特别是对于颜色的变化差异特别敏感。当LED作为阵列显示、液晶电视背光等产品时，用没有分选过的LED就会产生亮度、色度不均匀的现象，让人无法接受。LED色度、VF、光效是大家所关心的几个关键参数。LED出厂时，厂家已经按照波长和光亮等，基于额定电流进行了分光分色来保证一致性。

图1 LED工作图形

LED特性是当环境温度升高时PN结堆的等效内阻会降低，若使用恒压供电的方式，将会导致电流大大增加，引起器件损坏，所以必须使用恒流方式。另外一个特性是需要较低亮度时，如果直接减少流过LED的电流，LED之间的亮度就可能存在很大的差异。实际的运用中，一般采用PWM调光来解决这个问题，PWM调光可以实现流过LED的电流保持在额定值，通过控制LED点亮或者熄灭的占空比来调节亮度，仍可以保持LED之间的亮度一致性。

3 电路拓补结构

基于成本原因，一般用LED组的总电流控制，这种方式不能实现各个LED串之间的电流自动平均分配。即使选择电气参数较为一致的LED(这意味着LED成本会有大幅上升)，在相同的驱动电压下，LED组中总导通电压高的LED串，可能导通不充分；总导通电压低的可能过导通，流过超出其额定值的电流，结果就是发光不太均匀而且有的LED可能会提前损坏。

为消除这种隐患，有两种驱动方式可选,一种是目前业界普遍使用的采用Boost(升压)+LDO恒流；另一种是逐渐发展起来的Buck(降压)+PWM恒流，以下从两种电路的工作原理来分析.

3.1 Boost(升压)+LDO恒流[1]

1) 环路及恒流原理：拓扑为BOOST结构，如图2所示，在一个工作周期内，当SOUT1输出高电平时，功率MOS Q5导通，VIN通过升压电感L1和Q5，L1进入储能过程，此时续流二极管D1截止，LED由滤波电容C1供电；当SOUT1输出低电平时，Q5截止，这时在L1两端产生一个反向电动势VL，VL与VIN叠加并通过D1给LED供电并对C1充电。

2) 恒流原理：如图2所示，芯片对IFB1脚电压VIFB1进行采样，将VIFB1与芯片内部基准VADJ值进行比较，如果高于VADJ值，功率管Q5导通时间会缩短，传递到输出的能量减少；如果低于该值，功率管Q5导通时间会加长，传递到输出的能量增多，经过内部多个周期的调整后，芯片会处于一个动态平衡状态。

图2 Boost(升压)+LDO恒流电路架构

3) LED1～LED4代表4根LED灯串，由前文可知同一个晶元上出来的LED，如果不经过筛选，LED在额定电流下的正向电压降是不一样的(具体会在3.0V～3.6V之间)。这里先假设这4个灯串的灯珠没有经过筛选，LED1～LED4在额定电流300 mA下的电压分别是95 V、98 V、101 V、103 V，Boost变换器的输入电压为24 V，那么Boost升压之后的电压就是最高的LED4灯串的电压103 V(不考虑LDO恒流电路的压降)，为使LED灯串的电流恒定在300 mA，LDO1～LDO3就要分别承受8 V、5 V、2 V的电压，损耗在LDO1～LDO3的功率分别是2.4 W、1.5 W、0.6 W。可见，如果使用不经过筛选的LED，这种升压+LDO恒流的驱动器很容易出现过压损坏的情况。所以，这种驱动电路要求各路的LED灯的性能参数必须一致，而这会导致成本的增加。

4) Boost架构的驱动IC，市面上有很多型号，但工作原理都几乎一样，如台湾昂宝的OCP8122A等。

3.2 Buck(降压)+PWM恒流[2]

1) 电路拓扑为Buck结构，如图3所示。当芯片DRIVER输出高电平时，由Vin、LED、L1、Q1、R2构成一条励磁通路对电感L1储能；当DRIVER输出低电平时，由L1、D1、LED构成一条退磁通路，由电感对LED提供能量。

2) 恒流原理：如下图所示，芯片对MOS管导通期间的电流进行采样，积分得出平均电流与内部EA正相输入端基准VADJ值进行比较，如果高于该值，EA输出会变低，此时输出功率管导通时间会变短，传递出的能量下降；反之，同样调整。

3) 由于是Buck控制，所以恒流电路不需要承受压降，即使4根LED灯条电压相差很大，MOS管也不会损耗过大，其损耗约等于MOS的导通电阻与灯条电流平方的乘积，加上MOS的开关损耗，而且可以实现更多的LED灯串联。

4) 需要注意的是：要使整个系统处于恒流模式就必须使其工作于CCM模式，这样就使得系统外围电路设计时必须对f、L、D、△I进行合理设计，L=Vo*(Vin‐Vo)/(Vin*f*△I)。

图3 Buck(降压)+PWM恒流电路架构

5)Buck+PWM恒流架构的驱动IC，以台湾昂宝的OCP8128为代表，可以灵活运用。

3.3 分析和比较

在设计得当的情况下，Boost与Buck LED驱动控制器都能够满足目前绝大多数的LED背光源的技术要求，且成本都可以控制得相差不大；但如果做多通道(两通道以上)的LED恒流时，Buck驱动控制器有个明显的优势：对通道间的LED电压没有严格要求，而Boost驱动控制器则必须制在一定范围内，如LED电流为300mA时，通道电压差就不能超过3.3V，否则恒流MOS可能因为损耗过大而过热损坏。所以，使用Buck控制器可以减少挑选LED灯珠的成本。

4 区域调光技术(LOCAL DIMMING)

节能及画质提升技术一直是彩电行业不断追求创新的领域，而区域调光技术成为集节能与画质提升于一身的最佳技术之一。液晶电视显示部分主要包括背光源和液晶显示单元，其中背光源采用点光源LDE，这就为实现区域调光提供了可能，同时背光源是整机耗能最大的部分，占70%左右，所以通过各种方式调节背光源亮度实现节能且提升画质的技术一直是业界不断攻克的课题。

液晶电视推出初期，其背光亮度是固定或用户通过菜单手动调节的，要么整片变亮，要么整片变暗。随技术的进步，背光源亮度区域调节技术(Local dimming)也得到迅速发展，原理是液晶电视系统将图像信号分成若干区域，并根据各区域图像亮度进行分析计算，然后自动控制各区域背光源的亮暗。目前技术上经历0次元(0D)Dimming、1次元(1D)Dimming发展到当前的2次元(2D)Dimming。

4.1 0D Dimming

对整个电视画面统一调节亮度，当下一场画面亮度变暗或变亮时，DSP计算整个画面的平均亮度再将背光Y源统一调暗或调亮。缺点是统一调节不够准确，如当同一画面中出现纯白和纯黑在一起的画面时，画面会失真。

4.2 1D Dimming

英文也叫line dimming，顾名思义就是按线调节。对于直下式LED而言，则是按每行LED调节，或将相邻行LED分组按组分别调节。1D Dimming比0D Dimming在技术上有了很大提升，可以很大程度地降低液晶电视能耗，提升画面对比度。然而当其遇到在同一行中有黑白交错的画面时，又会出现同一行画面亮度调节不准确的情况。

4.3 2D Dimming

即Local dimming，是指将整个画面按矩阵式分成若干个区域，DSP根据每个区域分布计算平均亮度，对各区域的亮度独立控制，这样就可以完美解决在1D Dimming下出现的问题。2D Dimming能对LCD背光源作不同区域、不同程度明暗变化的调节，可提高显示画面对比度，增加灰阶数，减少残影，提升LCD显示器画质，是最佳的区域调光技术，同时大幅降低耗电量，日本电气通信大学针对不同型态背光源测量同一显示画面耗电量，测量结果显示：倘若0D Dimming平均耗电量为100%，2D Dimming型态背光源平均耗电量仅43%。随着分区的增多，功耗还可以得到更大幅度的降低。