一种树状背光均流方案的设计

邓远钊

（广州科技职业技术大学，广东 广州 510000）

1 引言

传统的恒流均流输出采用的是相同电流控制同规格三极管导通电流的形式。三极管均流方案的原理是，在给定的一个恒压源情况下，利用恒压源后的限流电阻及三极管基极与集电极之间的导通电阻RBE，产生一个恒定电流IBE，IBE会持续流经三极管的基极与集电极之间。由于三极管工作在放大状态下，发射极与集电极之间的电流ICE与IBE之间存在正比关系，具体公式为ICE=(1+β)×IBE。β为由三极管内部特性决定，是一个固定不变的值。当LED 多路同时输出时，在每路输出上分别接入一个同规格的三极管（即β与RBE相同）的集电极和发射极，并将所有三极管的发射极连接在一起，将同一恒压源串联同一限流电阻分别接入三极管的基极。此时，流经每个三极管的IBE及ICE相同。而ICE即为流经单路的LED电流。故每路LED电流相同，实现均流。

受生产工艺限制，同规格三极管在实际生产中，β及RBE仍然存在一定的数值差异，造成均流精度不足。三极管工作在放大状态下，其β及RBE会受到器件温度及环境温度的影响，导致数值变动，使得均流精度出现温飘的情况。在实际工作过程中，会受到板卡走线的等效电阻的影响，从而引发经过RBE后的电流到达Q1～QN 管后电流不均匀的问题[1]。本文设计了一种树状背光均流方案，一定程度解决了三极管受生产工艺限制形成的精度不足问题。

2 系统模型

整个系统分为以下几个部分：

（1）电源供电模块，为所有模块提供电能。

（2）硬件模块，此部分包含硬件核心控制器，是一个含有多个IO 口，可以扩展外设的智能控制器。硬件模块还包含屏幕显示、USB、HDMI、VGA等多项驱动功能[2]。

（3）恒流模块，此部分主要是控制后级的LED等串总电流的恒定以及为LED提供电能。

（4）多路LED灯串，这部分由多路LED灯串组成。

（5）树状均流模块，此部分用于使每一路的LED灯串的电流平均分配。

两路的均流模块是用一对MOS 管对组成，如图1 所示，其中Q11 为N 沟道MOS 管，Q12 为P 沟道MOS 管。恒流模块连接LED灯串1和LED灯串2第一颗LED灯的阳极；Q11 NMOS 管连接LED 灯串1 最后一颗LED 灯的阴极；Q12 PMOS管连接LED灯串2最后一颗LED灯的阴极；其他LED灯依次串联。

图1 两路LED灯串均流示意图

正常工作时，设恒流模块给出的电流为Io。此时硬件核心控制器会同时给Q11MOS管和Q12MOS管一个频率固定、占空比为50%的方波信号，由于Q11 为NMOS 管，Q12 为PMOS 管，因此当方波信号为高电平的时候，Q11MOS 管导通，Q12MOS管截止，此时，LED灯串1形成通路，LED灯串1流过的电流为Io；当方波信号为低电平的时候，Q11MOS 管截止，Q12MOS 管导通，LED 灯串2 形成通路，LED 灯串2 流过的电流为Io。因此从一个周期看，LED灯串1流过的平均电流为Io/2，LED 灯串2 流过的平均电流也为Io/2。这样就实现了LED灯串1和LED灯串2的均流[3]。

若扩展成多路，其结构是在两路LED灯串的基础上多加了四个MOS 管，其中LED 灯串1 与Q11 的NMOS 管相连、LED 灯串2 与Q12 的PMOS 管相连、LED灯串3 与Q13 的NMOS 管相连、LED4 灯串与Q14 的PMOS 管相连。后级部分为Q11 与Q12 的源极与Q21 的NMOS 管的漏极相连；Q13与Q14 的源极与Q22 的PMOS 管的漏极相连。最后Q21 与Q22的源极一起连接到采样电阻回到恒流模块[4]。

硬件核心控制器需要给出2 路的PWM 驱动信号，分别为驱动信号1 和驱动信号2。其中，驱动信号1 连接到Q11、Q12、Q13、Q14MOS 管的栅极，用于驱动4 个MOS 管。驱动信号2连接到Q21、Q22MOS管的栅极，用于驱动此2个MOS管。其中驱动信号1 的周期为T，驱动信号2 的周期为2T。也就是说，驱动信号1 的频率为驱动信号的2 倍。若驱动信号2 的频率为f，那么驱动信号1 的频率即为2f。占空比方面，驱动信号1与驱动信号2的占空比均为50%。

3 树状背光均流控制过程

下面分析系统是如何实现4路均流的，同样设定恒流模块给出的电流为Io。

第一阶段：驱动信号1处于高电平，驱动信号2也处于高电平，此时Q11、Q13 的NMOS 管导通，Q12、Q14 的PMOS 管截止。Q21 的NMOS 管导通，Q22的PMOS管截止。因此只有LED灯串1可以形成回路，那么此时流过LED灯串1的电流即为Io。

第二阶段：驱动信号1处于低电平，驱动信号2仍为高电平，此时Q11、Q13 的NMOS 管截止，Q12、Q14 的PMOS 管导通。Q21 的NMOS 管导通，Q22的PMOS管截止。因此只要LED灯串2可以形成回路，此时流过LED灯串2的电流为Io。

第三阶段：驱动信号1变回高电平，驱动信号2变成低电平，此时Q11、Q13 的NMOS 管导通，Q12、Q14 的PMOS 管截止。Q21 的NMOS 管截止，Q22的PMOS管导通。因此只要LED灯串3可以形成回路，此时流过LED灯串3的电流为Io。

第四阶段：驱动信号1处于低电平，驱动信号2仍为低电平，此时Q11、Q13 的NMOS 管截止，Q12、Q14 的PMOS 管导通。Q21 的NMOS 管截止，Q22 的PMOS 管导通。因此只要LED灯串4可以形成回路，此时流过LED灯串4的电流为Io。

从上述结果可以看出，在周期2T时间内，在它们各自形成回路的时间段内每个LED灯串流过的电流均为Io，持续时间均为T/2。因此可以得到在2T时间内，流过每路LED灯串的平均电流均为Io/4。这样就实现了4路LED灯串的均流[5]。

4 仿真结果及其分析

仿真32 路背光均流，也就是有25 灯串，需要的MOS 管总数为62 个，其中PMOS 管31 个，NMOS 管31 个，需要驱动信号个数为5个，驱动信号1的频率为16f，驱动信号2的频率为8f，驱动信号3 的频率为4f，驱动信号4 的频率为2f，驱动信号5的频率为f。利用上述树状分布可以实现32路LED灯串均流，其中每个灯串流过电流为Io/32，截取仿真后的前两个均流电路驱动信号如图2所示，截取仿真后的母线电压和3路电流如图3所示。

图2 LED均流电路驱动信号示意图

图3 母线电压和均流电流示意图

对于2n灯串来说（n为大于1的正整数），可以用上述树状的MOS 管排布搭建电路，其控制方法也可以用上述方案推演。对于2n路灯串，需要的MOS管总数为2n+2n-1+……2=2n+1-2，其中PMOS和NMOS管个数分别为2n-1。所需的驱动信号个数为2个，其中驱动信号1的频率为2n-1*f；驱动信号n的频率为f。所有驱动信号的占空比均为50%。

本方案采用MOS 管进行分段PWM 调光。利用精准PWN 时序，实现精准的PWM 调光。由于MOS 管工作在导通状态下，无需利用三极管内部放大特性，避免了在工作温度差异下造成的恒流精度温飘的情况。此外，利用多对控制对层叠控制，可以实现精准2n均流控制。

5 结语

本文设计了一种树状背光均流方案，使用n个驱动信号，就能实现2n路背光的均流。一方面解决了数字控制芯片I/O 口数量有限制的问题，另一方面避免了冗余的驱动信号间产生的互相干扰。使用数字均流的方式取代传统的模拟均流，使均流精度更高，避免因器件的误差产生均流不均的问题，提高了系统的可靠性。驱动信号由数字控制器发出，稳定可靠，不会受PCB 走线及外界环境（例如温度、湿度）对电流精度造成的影响，提高了系统均流的稳定性。