自 2010 年代以來，液晶顯示器 （LCD） 背光中的冷陰極熒光燈 （CCFL） 逐漸被發光二極管 （LED） 取代。這是因為不含汞的 LED 在散熱效率、顯色性和降低成本方面表現出色。

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各家液晶電視廠商紛紛爭相采用LED背光技術實現液晶屏的低調化，希望在新一代家用電視到來之際，擴大市場占有率。LED背光機型的市場滲透率一直在飆升，今天臺灣市場上大部分液晶電視都是LED背光的。

LED背光技術可分為兩類：直下式和側光式。用于直下式背光的 LED 可以是白色或 RGB。本應用筆記將研究這兩種類型之間的差異以及系統角度的 LED 電源解決方案。例如，用于筆記本電腦的 4 通道 LED 驅動器RT8510的功能框圖如圖 2 所示。上塊為升壓轉換器，提供 LED 串所需的電壓，下塊為恒流調光控制器。

圖 1. LED 液晶電視的功耗低于 CCFL 液晶電視

圖 2. LED 驅動器RT8510的功能框圖

1. 側光式與直下式背光

背光模組作為液晶顯示器的光源，由光源、導光板和背光擴散板等組成。隨著液晶電視和筆記本電腦的普及，開發重點是在系統中集成節能LED背光模組。應對面板大型化、低調化的趨勢。

對于側光式 LED 背光技術，白光 LED 被放置在 LCD 的四個側面，光線從 LCD 面板和反射片之間發出，光線通過反射片反射到 LCD 面板的背面。導光板將光線均勻地分布在 LCD 的背面。這是目前最常用的LED背光技術，具有成本低、體積小等優點。

圖 3. 側光式背光模塊

對于直下式背光技術，LED 以平面陣列的形式放置在導光板和 LCD 屏幕后面，光線直接發射到液晶顯示屏上。這種方法允許對屏幕上特定亮度區域的 LED 進行快速局部調光，從而大大增強動態對比度。但缺點是需要使用更多的LED，會增加產品成本，也會增加背光模組的厚度。白光 LED 最常用于 LED 背光，而對于一些高端型號，RGB LED 用于更廣色域的色彩再現。

表 1. 側光式和直下式背光技術比較

2. LED驅動IC的重要特性

一般用戶在選擇LED驅動IC時會考慮以下特點：

1.LED電流精度：LED電流由從ISET引腳連接到地的外部電阻RISET的值設置。該電流由電流鏡鏡像到電流源。理論計算得出的電流值與實際電流的誤差百分比稱為 LED 電流精度。

2.LED電流匹配：有很多方法可以配置陣列中的LED。如果 LED 串并聯，則通過每個 LED 串的 LED 電流必須相互匹配。這將增加各種 LED 串之間的亮度均勻性。LED 電流通常與 LED 亮度成正比。

3.調光類型：調光已成為LED驅動器的基本特征。它可以分為模擬調光和PWM調光。由于色度坐標沒有偏移，PWM Dimming 可以實現更好的色彩再現。但是，它更容易受到可聽噪聲問題的影響。解決這個問題的方法將在以后的會議上提出。

4.LED電流線性度：對于PWM調光，輸出LED電流隨PWM占空比而變化。這兩者之間的關系被描述為線性。低 PWM 占空比和高 PWM 調光頻率會降低 LED 電流線性度。圖 4 顯示了RT8510 PWM 調光線性度。

圖 4. RT8510 PWM 調光線性度

3. 電源解決方案

當今電視型號常用的電源架構是 LLC 或反激系統為升壓或降壓轉換器提供直流電源，然后驅動 LED 陣列，LED 電流調節器將電流鉗制在所需的 LED 亮度。然而，近年來，LED陣列可以直接由LLC或Flyback系統驅動，而前一級的電壓可以通過控制器IC進行調節。

圖 5 是一種電源解決方案的應用示意圖。RT8525 _，在左側，作為 DC-DC 升壓轉換器，提供足夠的電壓來驅動 LED 陣列。RT8300 作為電流調節器，提供恒流和調光功能。DHC（動態余量控制）連接這兩個 IC 作為反饋控制。當背光模組開啟時，LED的正向電壓Vf會因溫度升高而降低。如果輸出電壓保持不變，則 LED 1~4 引腳上的端電壓會增加。這將導致 RT8300 的功耗和溫度升高。因此，這將導致整體效率的下降和 IC 表面溫度要求的失敗。因此，必須有一種機制使升壓轉換器降低其輸出電壓。

圖 5. 電源解決方案的應用示意圖

為此目的創建了動態余量控制 （DHC） 功能。RT8300 將找出所有 LED 通道中 LED 1~4 引腳上哪個通道的端電壓最低，并通過圖 6 中的曲線鉗制所需的工作電壓。該電壓與 LED 電流呈線性關系。

圖 6. RT8300 的線性特性

如果該最低電壓通道的引腳電壓高于圖 6 中的相應值，則 RT8300 V FB引腳將被設置為高電平。通過 R3 至 V REF，輸出電壓 （VLED） 將降低。反之亦然，如果引腳電壓過低，V FB引腳將被設置為低電平，輸出電壓將被拉高。圖 7 顯示了原理圖和相應的方程，它們基于疊加定理。

圖 7. RT8300 DHC 原理圖

對于不同的應用，其背光模組的瓦數會有所不同。通常，LCD 面板越大，提供所需亮度的 LED 陣列就越多。IC和功率器件的功耗將因此增加，這會降低熱性能。與筆記本電腦背光的電源解決方案相比，臺式機顯示器需要更大的功率。因此，最好將 MOSFET 連接到外部。對于更高瓦數的應用，例如液晶電視，甚至電流源設備的驅動器也將連接到外部，以降低 IC 的表面溫度。以下列出了適用于各種應用的立锜 LED 背光電源解決方案。

圖 8. 適用于各種應用的電源解決方案

4. 可聽噪聲問題的解決方案

所有電子產品都有關于可聽噪聲的規范。隨著便攜式電子產品的普及，其背光模組的噪聲規格也更加嚴格。當應用程序在 PWM 調光模式下運行時，通常會出現可聽噪聲。噪聲主要來自諧振，由輸出電容、MLCC 和輸出電流開關引起。在 PWM 調光中，PWM LED 電流在重負載和零負載之間切換。負載的突變會增加輸出電壓的紋波。這種對人耳的漣漪是可聽見的噪音。圖 9 為RT8510調光時的波形圖。

CH1 = PWM， CH2 = Vout，ac， CH3 = VLX， CH4 = ILED

圖 9. RT8510調光時的波形圖

有很多方法可以解決聽得見的噪音問題。以下是一些供用戶參考的示例：

1.增加輸出電容值以減少輸出紋波：這種方法簡單明了，但缺點是成本增加。

2.改變PWM調光頻率，避開可聽頻率范圍，約20 kHz。但是，缺點是調光線性度會受到影響。

3.混合模式：在較低的 PWM 占空比下，只需切換到模擬調光以減少可聽噪聲。

4.移相功能：在多通道驅動IC中，依次開啟各通道，提高負載瞬態性能。

5.使用較大的OVP電阻：當PWM關閉時，較大的OVP電阻會降低負載和輸出壓差，從而降低噪聲。

6.用降噪解決方案中的MLCC替換：輸出電容會影響紋波的大小。較大的波紋可能會導致層與層之間產生共振，從而產生噪音。降噪電容器在交叉電壓方面具有卓越的性能，即在較高的直流偏置下電容變化較小。圖 10 顯示了新（降噪）和傳統制造工藝之間等效 MLCC 電容的比較。

圖 10. 新型和傳統制造工藝之間 MLCC 等效電容的比較。

五、保護機制

通常，LED 驅動器具有以下內置保護機制：

1.SLP（Short LED Protection）：如果LED串中的任何LED在表面安裝時短路，則LED串的整體正向電壓Vf會較低，這將導致VLEDX端電壓較高。SLP就是檢測VLEDX電壓是否過高。對于某些型號，只有短通道會關閉，而對于其他型號，則要關閉驅動電路。用戶可以通過 R SLP調整 SLP 電壓。

2.OLP（開路LED保護）：如果LED串中的任何一個LED接觸不良，無論是在組裝還是在使用中，OLP都是在上電時檢測VLEDX電壓是否過低，并發出相應地發出警告信號。

3.OVP（過壓保護）：當輸出電壓出現過壓時，OVP會通過分壓器進行檢測。它將輸出電壓鉗位在 OVP 設置的電壓上，而不關閉電路。圖 12 顯示了 RT8300 的保護機制流程。

圖 11. RT8300 SLP 圖

圖 12. RT8300 保護機制流程

6. 3D/局部調光

近年來，3D 和局部調光的功能已融入高端電視機型。介紹如下：

1. 3D調光：

在 3D 模式下，由于 PWM 占空比降低，需要背光模組提供更高的亮度。人的左右眼所感知的圖像將交替顯示，以產生景深效果。圖 13 說明了 3D 調光功能圖。LED 驅動器 RT-CVT 要求 3D 眼鏡快門與主板同步，以有效交替遮擋左右眼。

圖 13. 3D 調光功能圖

2. 局部調光：

這種方法用于高級模型以增強對比度。局部調光的黑色被認為更暗，因為該部分的背光變暗了。相反，較亮部分后面的背光可以更亮。此后，局部調光具有消耗更少功率的優勢。圖 14 顯示了 64 區域局部調光的示例。屏幕劃分的區域越多，局部調光的好處就越明顯。然而，權衡是控制的復雜性和成本會相應增加。

圖 14. 64 區局部調光示意圖

對于局部調光應用，常用 I2C 接口的有限帶寬已無法接受。例如，RT8302 是一款 4-CH Programmable Current Sink Led Driver，它使用 SPI Bus （Serial Peripheral Interface Bus） 作為信號傳輸接口。圖 15 為 RT8302 SPI 接口應用示意圖。

圖 15. RT8302 SPI 接口應用示意圖

圖 16 是 RT8302 讀/寫指令圖如下。

讀取指令：

寫命令：

圖 16. RT8302 SPI 讀/寫指令圖

7. 結論

LED 背光驅動系統的架構根據能源效率、成本降低和性能增強等各種要求而有所不同。然后應相應地更改驅動器 IC。此外，要為 LED 燈串供電，電源解決方案應隨應用（電視/顯示器/筆記本電腦/平板電腦）而變化。最后，解決可聞噪聲、提高系統效率以及滿足所有組件的表面溫度要求也是客戶需要考慮的重要方面。