利用200V SOI工藝有效降低LED TV背光方案成本

1、【W(wǎng)ord版本下載可任意編輯】 利用200V SOI工藝有效降低LED TV背光方案成本 液晶電視的LED背光模式 液晶面板中LED背光的設(shè)置方式，主要有兩種：側(cè)投式和直投式。人們普遍認(rèn)為直投式LED背光電視的畫面感更強(qiáng)。在直投式電視里，要用到數(shù)千個(gè)LED作為背光并被均勻地排列在整個(gè)顯示屏的背后。它們在明亮的圖像區(qū)域發(fā)出更強(qiáng)的光亮，并且在暗色彩區(qū)完全變暗，節(jié)約能源并限度提升圖像比照度，在圖片上產(chǎn)生強(qiáng)烈的比照效果，色彩分明。這種方案的缺陷之處在于：使用大量LED燈的同時(shí)還需要更多符合要求的LED驅(qū)動(dòng)芯片，因此造成直投背光模式成本很高。鑒于該方案的高成本和高復(fù)雜度，如今的直投背光模式只應(yīng)用在高端L

2、ED電視方面。 另一種更常用的背光方式是側(cè)投式。側(cè)投式背光是將燈沿著液晶面板四周邊緣排列，與導(dǎo)光板結(jié)合均勻地將光線照射在整個(gè)面板上。由于側(cè)投式顯示所需要單獨(dú)控制的LED數(shù)量、組數(shù)比直投式少，所以在構(gòu)建LED驅(qū)動(dòng)方式時(shí)更有靈活性；無論高/低電壓均可使用，使得系統(tǒng)工程師能夠?qū)Ｗ⒂谛阅芎涂尚行苑桨傅某杀痉矫?。由于具有成本低、性能?yōu)異以及機(jī)身較薄的優(yōu)勢，目前側(cè)投式LED背光已占據(jù)了市場主導(dǎo)地位。表1簡單總結(jié)了這兩種背光模式的差異和優(yōu)缺點(diǎn)。 200V SOI工藝技術(shù) 工程師選擇LED背光驅(qū)動(dòng)芯片時(shí)，會(huì)發(fā)現(xiàn)市場上已經(jīng)有眾多的供給商，但絕大多數(shù)供給商的產(chǎn)品都集中在40V60V電壓等級(jí)范圍內(nèi)，其原因在于40V

3、的半導(dǎo)體工藝門檻比較低。這給OEM設(shè)計(jì)師在對(duì)系統(tǒng)構(gòu)架選擇時(shí)帶來重大影響。使用40V的LED驅(qū)動(dòng)芯片可以有兩個(gè)主要的設(shè)計(jì)方案：1）每路串聯(lián)不超過10顆燈；2）一些設(shè)計(jì)方案中串聯(lián)10顆燈以上。通常情況下，后一種方案會(huì)犧牲一定的可靠性，包括在故障條件下的保護(hù)功能，諸如發(fā)光二極管LED內(nèi)部短路故障或過電壓擊穿，所以那些對(duì)可靠性和品質(zhì)要求都很高的液晶電視廠家并不承受這種方案。 為有效降低LED TV背光驅(qū)動(dòng)方案的成本，芯凱電子科技公司(Kinetic Technologies)針對(duì) LED背光和照明開發(fā)了全新的200V的SOI晶圓技術(shù)。與CMOS或BiCMOS工藝相比，SOI降低了寄生電容從而可以允許更

4、高的速度和更低的功耗，同時(shí)也降低了噪音，沒有閉鎖問題。同時(shí)SOI在制造流程上與現(xiàn)有的CMOS工藝兼容，因此生產(chǎn)成本得到有效的控制。 圖1 40V LED驅(qū)動(dòng)方案和200V LED驅(qū)動(dòng)方案的背光構(gòu)造 圖2 高壓 SOI和高壓BCD工藝的比較 芯凱電子的200V SOI器件是制作于薄硅層上的二氧化硅（SiO2）絕緣層；其200V SOI工藝的晶體管器件被掩埋的氧化絕緣層和溝道隔離層所環(huán)繞。因?yàn)榻^緣層將NMOS井和PMOS井隔離開，從而防止了常見的高壓閉鎖問題。同樣，掩埋的氧化絕緣層作為介質(zhì)阻擋，防止基板漏電，并減少基板噪聲。 將典型的高電壓BCDMOS和芯凱的200V SOI比照可發(fā)現(xiàn)，用于高電壓

5、BCDMOS芯片需要很厚的保護(hù)環(huán)，這會(huì)使其芯片面積增加，到達(dá)芯凱同等電壓SOI芯片面積的三倍以上，如圖所示。一個(gè)直觀的例子是，通常BCDMOS工藝?yán)锏腖DMOS間的間距需要18um，而 SOI只有1.4um。 SOI工藝的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是可以與低電壓器件兼容保存而沒有明顯的成本和大小差距。相反地，典型的BCDMOS工藝由于需要與低壓元件有很大間距，因而使得高低壓兼容的芯片成本大幅提高。當(dāng)然SOI襯底材料成本相較于一般的CMOS或BCDMOS硅片更高，這無疑將被視為劣勢。然而，SOI里元件實(shí)現(xiàn)以及單芯片中高/低壓元件的有機(jī)結(jié)合，相比于典型的高壓柵極隔離工藝，SOI芯片會(huì)更小，因此SOI芯片的成本反而

6、相當(dāng)合理。 基于200V SOI工藝的LED驅(qū)動(dòng)方案 根據(jù)LED驅(qū)動(dòng)芯片的電壓等級(jí)和背光的要求，LED背光架構(gòu)可分為少路多串聯(lián)和多路少串聯(lián)兩種。從電器特性來講，系統(tǒng)設(shè)計(jì)者可以選擇一路串聯(lián)很多個(gè)LED或者一串很少LED的構(gòu)造。 作為一個(gè)極端的例子，如果一個(gè)電視機(jī)里全部背光LED都串聯(lián)在一起，那就只需要一個(gè)單路的LED驅(qū)動(dòng)芯片，LED的亮度會(huì)完美匹配。但是通常一個(gè)普通尺寸的液晶電視需要上百顆乃至數(shù)百上千的LED，驅(qū)動(dòng)這樣一串LED所需的驅(qū)動(dòng)電壓將達(dá)數(shù)百伏（300V）甚至上千伏，這對(duì)家用電器的安全性和效率是一個(gè)很大的挑戰(zhàn)。另外，該方式無法對(duì)不同的LED開展調(diào)光，因此只能用于側(cè)投式的驅(qū)動(dòng)架構(gòu)。 相應(yīng)地

7、，也可以采用很多通道但每個(gè)通道只有很少的LED串聯(lián)的方式，比方說，每路僅有十顆或更少LED串聯(lián)。這樣，同樣一個(gè)電視背光方案就需要幾十路甚至上百路的LED通道，需要可支持很多路LED驅(qū)動(dòng)的芯片或芯片組，這樣以來，芯片成本的增加在所難免。當(dāng)然，這種方式的好處是芯片選擇余地比較廣，設(shè)計(jì)安規(guī)達(dá)標(biāo)不難。也有人認(rèn)為，采用這種方式應(yīng)該在功率轉(zhuǎn)換效率上有些優(yōu)勢。但實(shí)際上由于LED的正向電壓降都不一致，有時(shí)在任意兩顆燈之間可能會(huì)有10%左右的電壓差異，用一顆驅(qū)動(dòng)芯片去驅(qū)動(dòng)很多路LED不一定在工作效率上會(huì)占有優(yōu)勢。 總體來講，這個(gè)控制架構(gòu)會(huì)比前一種方式的系統(tǒng)成本高。不過，如果是直投式的話，因?yàn)辄c(diǎn)陣調(diào)光的需要，就必

8、需使用很多路的LED通道，因而只能使用相對(duì)低壓的多路LED驅(qū)動(dòng)芯片。從實(shí)際應(yīng)用而言，為了成本和安規(guī)的緣故，更多的時(shí)候是使用折中方案，即幾路、每路幾十顆LED燈的控制方式。芯凱電子新近自主研發(fā)的LED驅(qū)動(dòng)芯片KTD360，在這些方面取得了突破。 KTD360是一顆高達(dá)200V的LED驅(qū)動(dòng)芯片，可同時(shí)驅(qū)動(dòng)路并聯(lián)、每路60顆LED串聯(lián)、每顆LED電流可達(dá)150毫安。之所以選用200伏的SOI工藝，是因?yàn)楹芏嘞到y(tǒng)廠商可以提高200V以下的高壓電源，也可以順利通過電視等安規(guī)的要求，從而在不犧牲效率的前提下大幅節(jié)省驅(qū)動(dòng)成本。 表2將芯凱200V驅(qū)動(dòng)芯片與市場上常見的40V驅(qū)動(dòng)芯片的成本開展了比較。從比較可

9、見，200V的LED驅(qū)動(dòng)芯片不僅可以大幅降低成本，還能減少驅(qū)動(dòng)電路板的面積并簡化版圖布線。 除了降低成本和簡化布線，KTD360還集成了一個(gè)與提供高壓驅(qū)動(dòng)電源互動(dòng)的反應(yīng)信號(hào)（FBO）來有效調(diào)節(jié)電壓，使得驅(qū)動(dòng)電源電壓接近負(fù)載LED 的正向壓降，從而保證90%以上的效率。如圖3所示的37英寸電視背光方案，一顆KTD360可以驅(qū)動(dòng)42x6 = 252顆（150mA）LED。其中驅(qū)動(dòng)LED的高壓電源由KTC351升壓電源提供，但KTD360可以與其它任何一種帶有反應(yīng)接口的電源有效配合來驅(qū)動(dòng)LED背光模組。 圖3基于KTD360的37英寸電視背光范例 這個(gè)每路驅(qū)動(dòng)42顆功率LED 總共達(dá)900mA的LED的驅(qū)動(dòng)電流。由于KTD360的智能反應(yīng)設(shè)計(jì)，整個(gè)驅(qū)動(dòng)及電源系統(tǒng)包括KTD360 驅(qū)動(dòng)電路、 KTC351升壓電路及所以得外圍元器件的總體效率在整個(gè)工作范圍（每路50mA到150mA）內(nèi)都在90%以上，并在每路130mA（總共780mA)電流附近接近96%的高效率。如此的高效率是很多低壓方案都難以到達(dá)的。 圖4KTD360+KTD351驅(qū)動(dòng)方案的效率與每路LED電流（共6路）的關(guān)系。 本文小結(jié) LED電視將會(huì)隨著廠家新品牌的不斷推出而進(jìn)一步高速發(fā)展，新的系統(tǒng)架構(gòu)和元器件也將隨之大批涌現(xiàn)，電視廠家因此會(huì)有更多的選擇空間。但是