LCD背光的質(zhì)量影響著圖像的穩(wěn)定性、光度和顏色，因此可說是高檔顯示器中最重要的組件之一。在現(xiàn)今的背光照明設(shè)計(jì)中，LED正迅速取代CCFL技術(shù)。原因是LED對(duì)電壓的要求較低、而且簡(jiǎn)單易用，調(diào)光能力強(qiáng)，不含水銀而且效率更高。隨著LED在光度和成本方面的不斷改進(jìn)，它們逐漸應(yīng)用于較大型的LCD顯示器中。5英寸到15英寸的顯示器需要的不單是三個(gè)或四個(gè)的LED，而是動(dòng)輒20個(gè)以上的LED陣列。
然而，驅(qū)動(dòng)這么大的LED背光系統(tǒng)需要面對(duì)一系列的新挑戰(zhàn)。這些挑戰(zhàn)包括：為了維持均勻的亮度、色溫和較高的對(duì)比度，需要更精確的電流匹配；此外，還要減少功耗，以免影響效率、尺寸和整體的熱敏性能。當(dāng)LED的電流被提升到數(shù)百毫安，并且要用較大的功率和流入電流源去驅(qū)動(dòng)時(shí)，上述挑戰(zhàn)就顯得格外重要了。
大型LED背光系統(tǒng)要求的不單是一個(gè)恒流LED驅(qū)動(dòng)器，而且需要一個(gè)集成背光控制器才能發(fā)揮出現(xiàn)今LED技術(shù)的潛能，以滿足LED顯示器的品質(zhì)要求。
典型的背光應(yīng)用
雖然有些LED(例如一般照明應(yīng)用)可能只簡(jiǎn)單地用一個(gè)配備有電流整定串聯(lián)電阻的穩(wěn)壓電壓源來驅(qū)動(dòng)，但事實(shí)上LED最好還是采用一個(gè)恒定電流源來驅(qū)動(dòng)比較好。LED的亮度是電流而非電壓的一個(gè)函數(shù)，而且每個(gè)LED的電流在同一正向電壓(Vf)下都可能有明顯的差別。為了使LED呈現(xiàn)出最好的亮度和色彩，所有LED必須用相同大小的電流來驅(qū)動(dòng)，而無須理會(huì)其Vf。最理想的情況是所有在背光系統(tǒng)上的LED都可排列成一行，這樣它們的電流便會(huì)一樣，從而省略電流匹配的麻煩。可是，大部份的背光系統(tǒng)都需要超過30個(gè)的LED，以典型Vf 為3.5V的LED為例，便可能需動(dòng)用100V升壓轉(zhuǎn)換器來驅(qū)動(dòng)。此外，LED經(jīng)常會(huì)發(fā)生故障，假如燈串中有任何一個(gè)LED發(fā)生故障，那整個(gè)顯示器便會(huì)熄滅。
因此，更實(shí)際的做法是將LED并排成兩串。這樣所需的升壓便可較低，而且就算是一個(gè)LED出現(xiàn)故障都不會(huì)影響到整個(gè)燈串。不過，假如一次需要驅(qū)動(dòng)多個(gè)并排的LED燈串時(shí)，那必須確保每串上的LED都享有相同的正向電流(行到行的電流匹配性)。此外，每一條并排通道都會(huì)在電流調(diào)節(jié)器內(nèi)產(chǎn)生相關(guān)的功耗損耗，換句話說，并排的燈串?dāng)?shù)量愈多，那效率便會(huì)愈低而且整體的尺寸也會(huì)愈大。
最穩(wěn)妥方法是驅(qū)動(dòng)最少量的并排LED燈串，在每一條燈串上的連接升壓轉(zhuǎn)換器所能承載的最多的LED燈。每個(gè)燈串上能連接的LED數(shù)量取決于升壓轉(zhuǎn)換器的最大啟動(dòng)時(shí)間和電壓限制。
需要注意的是大部份的背光驅(qū)動(dòng)器都包含有獨(dú)立的升壓轉(zhuǎn)換器和電流調(diào)節(jié)器。正如圖1所示，驅(qū)動(dòng)器被安排來驅(qū)動(dòng)數(shù)個(gè)并排的LED燈串。
電路中的升壓級(jí)產(chǎn)生的電壓將LED燈串正向偏置，同時(shí)電流調(diào)節(jié)器確保流經(jīng)每個(gè)LED燈串的電流都是穩(wěn)定和相同。
我們現(xiàn)在討論的這種背光系一般都需要20～40V的電壓，具體的電壓值取決于LED的數(shù)量和類型。例如，大部份的系統(tǒng)都是用一個(gè)12V電軌的電源來供電，并且在150mA下驅(qū)動(dòng)24個(gè)LED。這樣的系統(tǒng)會(huì)被安排成并排三行每行八個(gè)的LED串，而標(biāo)稱的正向電壓為28V。這要求對(duì)于現(xiàn)今大部份的升壓轉(zhuǎn)換器來說都應(yīng)付有余。
正向電壓的調(diào)節(jié)
對(duì)于”升壓加電流調(diào)節(jié)器”這個(gè)結(jié)合方案來說，有兩個(gè)主要的因素可影響其效能，這便是效率和可產(chǎn)生噪聲的拓?fù)?。我們先考慮效率的問題。不管LED燈串的正向電壓如何，升壓轉(zhuǎn)換器必須能提供一個(gè)夠高的電壓才能將所有的LED燈串正向偏置。一個(gè)典型的白光LED在150mA下的Vf會(huì)處于±0.3V范圍內(nèi)。因此，由八個(gè)LED組成的燈串的正向電壓可能有4.8V的差異。為了確保每個(gè)并行的燈串都有足夠的正向電壓來驅(qū)動(dòng)，升壓轉(zhuǎn)換器必須能發(fā)送出最大的電壓。可是，將電壓提升到最高的水平會(huì)降低效率，原因在于它會(huì)從LED燈串底部的電流控制器耗散更多的功率。我們繼續(xù)結(jié)合圖1的應(yīng)用來說明這個(gè)問題。用150mA驅(qū)動(dòng)三行每行八個(gè)的LED燈串所需的VA電壓(升壓輸出)為3.8V×8+1V=31.4V。其中，假設(shè)最大Vf為3.8V，并且還需要1V來避免電流調(diào)節(jié)器到達(dá)飽和。假如LED在典型的3.5V Vf下運(yùn)行，電流調(diào)節(jié)器內(nèi)的功率損耗便等于3個(gè)燈串×(31.4V-28V)×0.15A= 1.53W。因此，真正供給LED的電力只有0.15A×28V×3=12.6W。比較之下，系統(tǒng)僅在電流調(diào)節(jié)器上便損失了12%的效率。
LM3431作為一個(gè)背光照明系統(tǒng)專用的驅(qū)動(dòng)器，內(nèi)部同時(shí)集成有升壓和恒流調(diào)節(jié)功能，因此不會(huì)出現(xiàn)上述因電流調(diào)節(jié)而產(chǎn)生的效率下降問題。圖2為一個(gè)簡(jiǎn)化了的背光驅(qū)動(dòng)器電路。
LM3431的升壓轉(zhuǎn)換器是用來調(diào)節(jié)電流調(diào)節(jié)器的電壓VC，而不是調(diào)節(jié)LED燈串的頂部。在這個(gè)方案中，升壓轉(zhuǎn)換器只需發(fā)送LED燈串所需的電壓，就可減低在電流調(diào)節(jié)器內(nèi)的功率耗散。與此同時(shí)，LED的陽(yáng)極電壓(VA)會(huì)隨著LED燈串的Vf而變化，所以必須進(jìn)行調(diào)節(jié)才能為每一個(gè)燈串提供足夠的正向電壓。
雖然，系統(tǒng)可能擁有數(shù)個(gè)LED燈串，但卻只有一個(gè)電壓反饋節(jié)點(diǎn)。LM3431被設(shè)計(jì)成每一個(gè)LED燈串都經(jīng)二極管連接到陰極反饋引腳(沒有在圖2中表示出來)。因此，可在最低的節(jié)點(diǎn)處監(jiān)視陰極電壓。這樣，不管Vf如何變化都可確保所有燈串均有足夠的凈空，
在設(shè)計(jì)當(dāng)中，電流調(diào)節(jié)器必須夠大才能在印刷電路板上提供足夠的銅散熱面積。因此，圖1電路的拓?fù)浔阈枰嗟目臻g來為電流調(diào)節(jié)器散熱。LED本身的散熱設(shè)計(jì)就很有挑戰(zhàn)性，現(xiàn)在再加上從驅(qū)動(dòng)器散熱問題，真可謂雪上加霜。由于LM3431需驅(qū)動(dòng)外部晶體管來調(diào)節(jié)LED的電流，故封裝的尺寸完全可根據(jù)應(yīng)用所要求的功率水平來調(diào)節(jié)。圖1中的應(yīng)用在典型條件下每通道功率損耗為0.15W，如果我們假設(shè)最高的環(huán)境溫度為80℃，而NPN管的最高工作溫度為150℃，那我們便可計(jì)算出NPN的最高熱電阻為137℃/W。一個(gè)典型的SOT-89 NPN器件的熱電阻為104℃/W，這可說是一個(gè)合理的選擇(雖然有點(diǎn)熱)。然而， LM3431在典型條件下的每通道功率損耗為0.18W，所需的最大熱電阻為389℃/W，因此可選用SOT-23封裝。比較兩種封裝的面積，前者為 4.5mm×4mm，而后者僅為2.9mm×2.3mm。
高對(duì)比度PWM調(diào)光
PWM調(diào)光是控制LED亮度的最優(yōu)方法。其原理是LED的正向電流會(huì)在一個(gè)固定的電平處出現(xiàn)脈沖，可以通過調(diào)節(jié)該脈沖的工作周期以控制亮度。這個(gè)方法不僅可提供一個(gè)穩(wěn)定的色溫，而且還可在整個(gè)LED亮度級(jí)范圍內(nèi)提供可預(yù)知的Vf。然而，100MHz是最低的可用調(diào)光頻率，否則便會(huì)出現(xiàn)肉眼可見的閃爍。LM3431可接受介乎25kHz～ 100MHz之間的任何一個(gè)頻率的調(diào)光信號(hào)，最低的啟動(dòng)時(shí)間為400ns。
現(xiàn)今有不少像CCFL的背光技術(shù)都是采用一個(gè)模擬電平電壓信號(hào)來控制亮度。為了與這些調(diào)光系統(tǒng)兼容，LM3431內(nèi)置有一個(gè)PWM調(diào)制器，它可以接受一個(gè)電壓電平輸入并能將它轉(zhuǎn)換成一個(gè)PWM信號(hào)，并通過外部的電容器編程來調(diào)節(jié)PWM調(diào)光頻率。在這種模式下，PWM工作周期便可在250mV～2.5V的范圍內(nèi)隨著電壓線性地增加。配合這個(gè)方法，現(xiàn)行采用CCFL類電壓調(diào)光信號(hào)的電路便可與LM3431一起使用，并依照建議的方式來為L(zhǎng)ED調(diào)節(jié)光度。
在PWM調(diào)光期間，電路會(huì)出現(xiàn)高壓擺率的負(fù)載瞬態(tài)，并且隨后在VA和VC的節(jié)點(diǎn)處出現(xiàn)一個(gè)瞬態(tài)電壓響應(yīng)。在這里有些人可會(huì)認(rèn)為現(xiàn)在的設(shè)計(jì)重點(diǎn)是LED電流而并非電壓瞬態(tài)，只要瞬態(tài)下沖不低至使電流調(diào)節(jié)器飽和，那便不會(huì)出現(xiàn)問題。可惜這個(gè)看法是錯(cuò)的。首先，要確保沒有飽和即意味需要更多的凈空和進(jìn)一步加大功率的損耗。其次，PWM調(diào)光頻率一般介乎100～500Hz，有時(shí)可能高達(dá)1kHz，這些都處于耳朵可聽到的頻率范圍內(nèi)。在這種頻率下的負(fù)載瞬態(tài)常會(huì)出現(xiàn)一種副作用，即從陶瓷電容器中發(fā)出可聽噪聲。流經(jīng)電容器的電壓變化會(huì)產(chǎn)生物理上的膨脹和收縮效果，這效果可以大到產(chǎn)生出人耳可聽見的“吱吱”聲響。為了消除這個(gè)可聽見的噪聲，需要對(duì)一個(gè)典型升壓轉(zhuǎn)換器的輸出額外加上輸出電容。雖然，這樣做可獲得一個(gè)非常穩(wěn)定的輸出電壓，但卻降低了功率和增大了電路板體積。
LM3431將PWM調(diào)光功能與升壓轉(zhuǎn)換器結(jié)合，可以解決這個(gè)調(diào)光問題。在每一個(gè)PWM調(diào)光信號(hào)的邊緣，都會(huì)在升壓控制環(huán)路中加插一個(gè)電壓降。這作法會(huì)使COMP引腳的電壓改變(錯(cuò)誤放大器輸出)并使得升壓轉(zhuǎn)換器可將VA電壓推高至負(fù)載瞬態(tài)預(yù)期的電平。
在LED電流和PWM調(diào)光信號(hào)的下降邊緣會(huì)出現(xiàn)一個(gè)卸載瞬態(tài)，對(duì)于任何的開關(guān)穩(wěn)壓器來說，這種卸載瞬態(tài)都比負(fù)載瞬態(tài)更難以控制，但LM3431在這方面卻應(yīng)付自如。
