白光LED背光源驅(qū)動(dòng)在液晶電視中的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

【W(wǎng)ord版本下載可任意編輯】白光LED背光源驅(qū)動(dòng)在液晶電視中的設(shè)計(jì)與應(yīng)用一、背景技術(shù)

以白光LED作為背光源的液晶電視正逐步取代當(dāng)前占市場(chǎng)主流的CCFL背光源液晶電視。盡顯LED背光電視的超薄，長(zhǎng)壽命，環(huán)保，節(jié)能燈優(yōu)點(diǎn)。相對(duì)于CCFL背光源，白光LED背光源具有以下優(yōu)勢(shì)：

1）環(huán)保，白光LED采用半導(dǎo)體技術(shù)發(fā)光，內(nèi)部不含汞等有害物質(zhì)，相對(duì)于含汞的CCFL燈管，符合當(dāng)前全世界環(huán)保需求。

2）低功耗，目前白光LED100lm/w左右的發(fā)光效率使液晶電視背光源功耗大大下降，相對(duì)于同等亮度的CCFL背光源，功耗降低30%以上。

如果采用動(dòng)態(tài)局部調(diào)光技術(shù)，將可以進(jìn)一步降低功耗。

3）長(zhǎng)壽命，LED使用壽命長(zhǎng)達(dá)10萬(wàn)小時(shí)，可以大大延長(zhǎng)液晶電視的使用壽命。

4）光學(xué)特性好，LED背光源有更好的色域和比照度。其色彩表現(xiàn)力強(qiáng)于CCFL背光源，可對(duì)顯示色彩數(shù)量缺陷的液晶技術(shù)起到很好的彌補(bǔ)作用，色彩復(fù)原好。

5）超薄，特別是側(cè)邊式白光LED背光技術(shù)的應(yīng)用，使超薄型液晶電視成為可能。

6）安全，LED使用的是低壓直流驅(qū)動(dòng)電源，十分安全，供電模塊的設(shè)計(jì)相較CCFL高壓驅(qū)動(dòng)也更為簡(jiǎn)單。

市場(chǎng)方面，以韓國(guó)三星為代表的電視廠商全面推廣側(cè)邊式LED背光（EdgeLight），該技術(shù)由于成本低，功耗低，超薄等優(yōu)勢(shì)迅速成為市場(chǎng)主流。

二、LED的伏安特性及需求

而關(guān)于白光LED驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)，也成為半導(dǎo)體行業(yè)的一大熱點(diǎn)。而選擇一個(gè)好的LED驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)方案，首先必須了解LED本身的電氣特性。

如圖1所示，額定電流20mA，正向?qū)妷?.3V的LED的伏安特性曲線：可以看出LED電流隨電壓變化大的特性。由于LED電流直接決定了亮度的輸出，所以必須采用控制電流恒定為前提的驅(qū)動(dòng)芯片，而正向?qū)妷河稍撾娏鳑Q定。

圖1白光LED的伏安特性曲線

現(xiàn)以CCFLInverter控制芯片和LED驅(qū)動(dòng)芯片領(lǐng)域具有地位的美國(guó)公司O2Micro的LED恒流控制芯片OZ9967為例，設(shè)計(jì)一款應(yīng)用于32”LED背光源的液晶電視LED驅(qū)動(dòng)方案。32”LED背光液晶電視采用6通道120mA白光LED，每通道串聯(lián)25顆LED，總共150顆LED。

三、驅(qū)動(dòng)方案介紹

OZ9967方案主要特點(diǎn)：

1）高頻升壓變換器

2）6通道電流平衡恒定控制

3）實(shí)現(xiàn)外部和內(nèi)部PWM調(diào)光控制

4）輸入欠壓鎖定

5）Mosfet過(guò)流保護(hù)

6）LED短路保護(hù)

7）LED過(guò)流保護(hù)

8）LED開(kāi)路保護(hù)

9）二極管開(kāi)路保護(hù)

10）輸出短路保護(hù)

該芯片功能構(gòu)造圖如圖2所示。

圖2芯片功能構(gòu)造圖

Pin腳功能定義：

Pin1-Pin11,Pin28：LED電流檢測(cè)和相應(yīng)的補(bǔ)償反應(yīng)。LED電流設(shè)定如下：

Pin12：功率地，Pin16為信號(hào)地。

Pin13：升壓驅(qū)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)電壓為5V。

Pin14：為芯片內(nèi)部5V參考電壓輸出。

Pin15：為升壓驅(qū)動(dòng)信號(hào)工作頻率設(shè)定，為0-1.7V鋸齒波：

Pin17為Mosfet峰值電流檢測(cè)，當(dāng)該點(diǎn)電壓到達(dá)0.5V時(shí)，芯片會(huì)認(rèn)為Mosfet過(guò)流同時(shí)關(guān)掉驅(qū)動(dòng)信號(hào)直到下一個(gè)周期重新恢復(fù)。正常工作條件下，該點(diǎn)電壓在0.2~0.3V左右。

Pin18：芯片供電輸入，工作范圍6V~40V。

Pin19：使能輸入，當(dāng)信號(hào)高于2V芯片啟動(dòng)，低于0.8V芯片停止工作。

Pin20：軟啟動(dòng)和環(huán)路補(bǔ)償。

Pin21：內(nèi)部PWM調(diào)光頻率設(shè)定。

當(dāng)選用外部PWM調(diào)光時(shí)，通過(guò)分壓電阻將該P(yáng)in設(shè)置在1V左右。

Pin22：輸入電壓欠壓鎖定，當(dāng)該P(yáng)in電壓低于1.4V，芯片停止工作，當(dāng)電壓超過(guò)1.5V，芯片恢復(fù)工作狀態(tài)，可通過(guò)電阻分壓網(wǎng)絡(luò)對(duì)輸入電壓開(kāi)展設(shè)定。

Pin23：調(diào)光?？沙惺芫€性電壓實(shí)現(xiàn)內(nèi)部PWM調(diào)光，當(dāng)線性輸入電壓大于1.5V為亮度100%而小于0.1V為亮度0%，調(diào)光頻率通過(guò)Pin21設(shè)定。如果要實(shí)現(xiàn)外部PWM調(diào)光，則只需設(shè)定Pin21為1V左右，輸入0V~3.3V的PWM信號(hào)即可實(shí)現(xiàn)外部PWM調(diào)光，亮度跟隨所輸入的PWM占空比改變而調(diào)節(jié)。

Pin24：狀態(tài)輸出，正常工作條件下，該P(yáng)in為高阻抗信號(hào)，當(dāng)LED出現(xiàn)開(kāi)路短路等異常，該P(yáng)in將輸出一個(gè)低電平信號(hào)，該P(yáng)in可作為給主板的異常報(bào)警信號(hào)或者作為保護(hù)動(dòng)作信號(hào)。

Pin25：定時(shí)，配合Pin26工作。

Pin26：過(guò)壓檢測(cè)，通過(guò)分壓電阻檢測(cè)輸出電壓，當(dāng)該P(yáng)in電壓超過(guò)2.37V，升壓驅(qū)動(dòng)信號(hào)關(guān)閉，如果LED通道全部連接好，Pin25將開(kāi)始充電，充電至3V時(shí)，LED平衡電路將關(guān)閉同時(shí)該P(yáng)in開(kāi)始放電，當(dāng)放電至0.1V時(shí)，平衡電路重新開(kāi)始工作。在任何時(shí)候，當(dāng)該P(yáng)in電壓下降至2.27V時(shí)，升壓驅(qū)動(dòng)信號(hào)重新啟動(dòng)恢復(fù)正常工作。

如果至少一個(gè)LED通道開(kāi)路，當(dāng)該P(yáng)in電壓升至2.37V時(shí)驅(qū)動(dòng)信號(hào)關(guān)閉，Pin25不會(huì)動(dòng)作，當(dāng)輸出電壓下降使該P(yáng)in降至2.27V時(shí)，驅(qū)動(dòng)信號(hào)恢復(fù)并且忽略掉開(kāi)路的LED通道繼續(xù)正常工作。當(dāng)輸出電壓短路到地或者肖特基二極管開(kāi)路，輸出電壓下降使該P(yáng)in電壓下降至0.1V時(shí)，芯片將關(guān)閉驅(qū)動(dòng)信號(hào)，當(dāng)該P(yáng)in電壓恢復(fù)至0.1V以上時(shí)，芯片恢復(fù)工作。

Pin27：LED短路范圍設(shè)定，該P(yáng)in電壓通過(guò)電阻網(wǎng)絡(luò)設(shè)定，當(dāng)任何一路LED電流檢測(cè)的補(bǔ)償Pin（COMP1-6）電壓高于該P(yáng)in電壓的4倍，則該LED通道將會(huì)被關(guān)閉，其他通道正常工作。

四、參數(shù)計(jì)算與確認(rèn)

由于輸出為25顆LED串聯(lián)，6通道，所以輸出電壓約為25×3.3V=82.5V，實(shí)際上準(zhǔn)確的輸出電壓由120mA電流經(jīng)過(guò)LED燈產(chǎn)生的壓降決定。輸入VIN=24V，則需采用升壓電路（BOOST）將24V升至約82.5V，該升壓線路由一顆電感，一顆Mosfet，一顆肖特基二極管，以及輸出電解電容組成。OZ9967通過(guò)檢測(cè)電阻檢測(cè)LED電流經(jīng)過(guò)負(fù)反應(yīng)調(diào)節(jié)Pin13驅(qū)動(dòng)信號(hào)占空比D，使電感在Mosfet開(kāi)通時(shí)存儲(chǔ)能量關(guān)斷時(shí)釋放能量，從而得到所需要的輸出電壓。

OZ9967基本電路原理圖如圖3所示。

圖3OZ9967基本電路原理圖

關(guān)鍵元件選擇

1.電感

假設(shè)電感工作在臨界模式，通過(guò)升壓電路原理，可得如下公式：

其中Vout=82.5V，輸出電壓=24V，輸入電壓T=5us，工作頻率，通過(guò)電阻電容可自主設(shè)定，現(xiàn)假設(shè)為200KHz。

ILED=720mA，輸出LED總電流，120mA×6。

D為OZ9967驅(qū)動(dòng)占空比。

所以可得D=0.71臨界電感L=17μH。

當(dāng)L>17μH時(shí)，升壓電路工作在連續(xù)模式；當(dāng)L<17μH時(shí)，升壓電路工作在不連續(xù)模式，故可選用L=22μH，升壓電路工作在連續(xù)模式。

再計(jì)算電感峰值電流：

可得電感峰值電流Ip=5A。

所以可選用22μH/6A的電感。

2.Mosfet

Mosfet峰值電流和電感峰值電流相等為5A。

其均方根電流可由下式得到：

可得Irms=3.2A。

由于Mosfet關(guān)斷時(shí)肖特基二極管導(dǎo)通，其漏極電壓為0.2+82.5=82.7V。

考慮關(guān)斷尖峰及裕量，可選用150V/10A的Mosfet。

3.肖特基二極管選擇

肖特基二極管峰值電流和電感一樣為5A，關(guān)斷時(shí)反向電壓為82.5V，考慮關(guān)斷尖峰及裕量，可選用150V/10A的肖特基二極管。

4.輸出電解電容的選擇

考慮1%的輸出電壓紋波，則可得Cout=3μH，可選用100V/4.7μH的電解電容。

5.電流檢測(cè)電阻

可得6路檢測(cè)電阻RIsen=2.54Ω6.電流平衡三極管選擇。

正常情況下，該三極管通過(guò)120mA電流，其功耗P=120mA*Ve取決于射極電壓值。由于LED等本身的正向?qū)妷喝莶?，將?huì)導(dǎo)致三極管射極電壓值升高，使其功耗增大。當(dāng)設(shè)計(jì)要求短路任何一個(gè)通道里面的一顆LED能正常工作時(shí)，該三極管射極電壓Ve將增加3.3V，功耗增加0.4W。當(dāng)設(shè)計(jì)要求短路任何一個(gè)通道里面的兩顆LED能正常工作時(shí)，該三極管射極電壓Ve將增加6.6V，功耗增加0.8W，依此類推，該三極管功耗選擇根據(jù)設(shè)計(jì)要求選擇其功率。通過(guò)設(shè)計(jì)Pin27電壓Vs，當(dāng)三極管射極電壓Ve增加至大于4Vs時(shí)，OZ9967芯片將關(guān)閉該通道防止功率三極管過(guò)熱損壞，其他通道正常工作。

五、小結(jié)

白光LED背光源液晶電視的背光驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)關(guān)鍵在于保證每顆LED正常工