在越來(lái)越多的新興需求和綠色節(jié)能趨勢(shì)推動(dòng)下，能夠提升電源能效的電源和電源管理技術(shù)的應(yīng)用將快速增長(zhǎng)，背光就是一種典型的應(yīng)用需求。雖然目前液晶電視的背光源仍以傳統(tǒng)冷陰極熒光燈(CCFL)為主，但隨著全球節(jié)能環(huán)保意識(shí)的日益增強(qiáng)，新型發(fā)光二極管(LED)背光源已廣受關(guān)注，成為CCFL的有力競(jìng)爭(zhēng)者。在便攜式應(yīng)用方面，液晶背光LED驅(qū)動(dòng)方案更需要滿足高能效" title="高能效">高能效、延長(zhǎng)電池使用時(shí)間、減小印制電路板面積等要求。本文將結(jié)合安森美半導(dǎo)體的解決方案探討背光市場(chǎng)和應(yīng)用的特點(diǎn)及需求。
背光應(yīng)用的需求和挑戰(zhàn)
LED具有高色彩飽和度、環(huán)保耐用等優(yōu)點(diǎn)，已在各種中小尺寸LCD面板中大量應(yīng)用，目前正逐步向筆記本電腦、液晶電視等大中型LCD背光源市場(chǎng)滲透。2009年液晶電視采用LED背光的比例僅為3%，在未來(lái)三四年內(nèi)，將可迅速攀升至40%至50%，為開(kāi)發(fā)LED驅(qū)動(dòng)器方案的廠商帶來(lái)了巨大商機(jī)。
與CCFL相比，LED背光源的色彩表現(xiàn)更具優(yōu)勢(shì)。LED采用5 V～24 V低壓驅(qū)動(dòng)，非常安全，驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)較為簡(jiǎn)單，也非常節(jié)電。LED不使用對(duì)環(huán)境有害的汞，也就不存在汞泄漏等問(wèn)題。LED技術(shù)也面臨著一些挑戰(zhàn)，如發(fā)光效率較低、成本高、價(jià)格昂貴。隨著LCD背光向多種LED技術(shù)轉(zhuǎn)移，設(shè)計(jì)工程師還要應(yīng)對(duì)電源管理、熱管理和色彩管理等新的挑戰(zhàn)。
目前，汽車(chē)電子、移動(dòng)設(shè)備、LCD背光、可尋址標(biāo)志及通用照明等都是LED技術(shù)的潛在應(yīng)用領(lǐng)域，其中LCD背光將成為L(zhǎng)ED技術(shù)的下一個(gè)主戰(zhàn)場(chǎng)。
此外，電池供電的便攜式應(yīng)用功能越來(lái)越多，尺寸也越來(lái)越小巧，使得這些設(shè)備的功率需求也越來(lái)越高。采用低功率LED驅(qū)動(dòng)器更有助于節(jié)省功耗，延長(zhǎng)電池壽命，給消費(fèi)者帶來(lái)更好的使用體驗(yàn)。
安森美半導(dǎo)體的多樣化背光解決方案
1. 中大尺寸液晶電視LED背光方案
LED背光液晶電視主要有側(cè)光式" title="側(cè)光式">側(cè)光式和背光式兩種方案，其電源管理的重要要求就是提高能效;另外，由于LED背光液晶電視以超薄外型為重要賣(mài)點(diǎn)，其電源管理方案更要以低高度來(lái)配合纖薄設(shè)計(jì)，還要顧及散熱、降低電磁干擾、不同通道亮度匹配、調(diào)光及故障診斷和保護(hù)等問(wèn)題。
(1)側(cè)光式方案：安森美半導(dǎo)體的高性價(jià)比多通道線性LED側(cè)光式方案在半橋轉(zhuǎn)換段采用NCP1397初級(jí)側(cè)控制器和500 V高壓MOSFET NDF05N50，以及6通道線性LED驅(qū)動(dòng)器CAT4026。CAT4026是用于大尺寸側(cè)光式LED背光液晶電視的高性價(jià)比多通道線性LED驅(qū)動(dòng)器，可以單顆IC支持6個(gè)通道，易于分級(jí)為多達(dá)12個(gè)或18個(gè)通道(相應(yīng)采用2個(gè)或3個(gè)控制器)，目標(biāo)能效高于90%，典型能效達(dá)94%;提供<±2%的極佳電流匹配精度及<1%的400 Hz PWM調(diào)光范圍，并采用外部功率雙極結(jié)晶體管實(shí)現(xiàn)更好的散熱。
該方案由LED背光轉(zhuǎn)換器(NCP1397等)和LED控制器(CAT4026等)組成(見(jiàn)圖1)，支持低高度LED背光液晶電視設(shè)計(jì)，電路板上高度低于8 mm，總高度低于12.5 mm，還可以優(yōu)化處理寬范圍調(diào)光、散熱、故障保護(hù)等，使電源設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)迎刃而解。
圖1：大屏幕LED背光液晶電視側(cè)光式方案(黃色背景部分)
(2)直下式方案：除了側(cè)光式方案，安森美半導(dǎo)體還提供基于NCP1397、NDF05N50和NCP1034的直下式降壓驅(qū)動(dòng)方案。NCP1034采用高達(dá)500 kHz的可編程開(kāi)關(guān)頻率驅(qū)動(dòng)一對(duì)外部N溝道MOSFET，能夠靈活調(diào)節(jié)集成電路的工作，以符合系統(tǒng)級(jí)要求。另外，內(nèi)部1.25 V參考電壓可以對(duì)輸出電壓精密穩(wěn)壓，用于低壓應(yīng)用。該器件具有預(yù)防電氣故障的保護(hù)特性，如欠壓鎖定和斷續(xù)(hiccup)電流限制，在發(fā)生故障時(shí)可提供系統(tǒng)級(jí)安全性。其優(yōu)勢(shì)包括驅(qū)動(dòng)高能效場(chǎng)效應(yīng)管(FET)及為1顆或多顆器件提供固定頻率。
安森美半導(dǎo)體還為L(zhǎng)ED背光液晶電視提供了更多一站式方案，包括功率因數(shù)校正(PFC)、待機(jī)開(kāi)關(guān)電源，以及相關(guān)的整流器、運(yùn)算放大器、MOSFET及分立器件等。
2. 便攜式設(shè)備LED背光方案
對(duì)便攜式電子設(shè)備設(shè)計(jì)人員來(lái)說(shuō)，高效能和小尺寸通常是最優(yōu)先考慮的因素。安森美半導(dǎo)體推出了各種為便攜式設(shè)備優(yōu)化的LED背光方案，如用于扣式電池供電設(shè)備的低功率LED背光驅(qū)動(dòng)器" title="背光驅(qū)動(dòng)器">背光驅(qū)動(dòng)器，以及用于手機(jī)和數(shù)碼相機(jī)等的LED背光驅(qū)動(dòng)器，以配合客戶在獲得小尺寸設(shè)計(jì)的同時(shí)延長(zhǎng)電池使用時(shí)間，推出符合用戶需求的創(chuàng)新產(chǎn)品。
(1)鈕扣式電池供電設(shè)備LED背光驅(qū)動(dòng)器：越來(lái)越多的創(chuàng)新型便攜設(shè)備采用了鈕扣式電池，如血糖儀、數(shù)字體溫計(jì)、血氧計(jì)、呼吸分析儀和生理監(jiān)測(cè)儀等。由于這種電池的獨(dú)特特性以及需要長(zhǎng)工作壽命，這些緊湊型應(yīng)用需要定制的LED驅(qū)動(dòng)器，不僅要管理背光，還要監(jiān)測(cè)電池電量。
這類(lèi)應(yīng)用可采用安森美半導(dǎo)體新的CAT3661單LED驅(qū)動(dòng)器，圖3是其應(yīng)用電路圖。該器件采用安森美半導(dǎo)體專利的四模(Quad Mode)電荷泵" title="電荷泵">電荷泵架構(gòu)，能效高達(dá)92%，靜態(tài)電流低至150 μA，提供可調(diào)節(jié)的低電池電量檢測(cè)、強(qiáng)固的LED故障監(jiān)測(cè)、軟啟動(dòng)和短路限制等功能，采用低高度3 x 3 mm TQFN-16封裝，非常適合這類(lèi)應(yīng)用。
圖3：為鈕扣式電池供電設(shè)備優(yōu)化的CAT3661 LED驅(qū)動(dòng)器應(yīng)用電路圖
新元件提供了低噪聲輸入汶波和恒定開(kāi)關(guān)頻率，使用小尺寸外部陶瓷電容，進(jìn)一步節(jié)省空間及系統(tǒng)總成本。四模電荷泵支持2～2.5 V的寬輸入電壓，峰值效能水平比傳統(tǒng)高效能1.5x三模電荷泵高10%。該元件滿載時(shí)在所有工作模式下的典型靜態(tài)電流僅為150 μA，具備零電流關(guān)閉，可降低能耗，確保延長(zhǎng)電池使用時(shí)間。
(2)手機(jī)和數(shù)碼相機(jī)等LED背光驅(qū)動(dòng)器：安森美半導(dǎo)體提供線性、電感型和電荷泵型等不同拓?fù)涞腖ED驅(qū)動(dòng)器，用于手機(jī)和數(shù)碼相機(jī)等便攜產(chǎn)品。這些驅(qū)動(dòng)方案具有高能效，可延長(zhǎng)電池使用時(shí)間，減小印制電路板面積和高度，實(shí)現(xiàn)纖薄造型。具體而言，線性方案適合色彩指示器和簡(jiǎn)單的背光應(yīng)用，電感型方案能效最佳，電荷泵方案占板面積和高度極小，適合不同應(yīng)用。
便攜產(chǎn)品要顯示高分辨率照片、影片或網(wǎng)頁(yè)，獲得良好的用戶體驗(yàn)，就要采用較大尺寸的LCD屏幕，需要更多的LED背光。驅(qū)動(dòng)更多LED需要消耗更高功率，安森美半導(dǎo)體的NCP5021和NCP5890新穎驅(qū)動(dòng)器集成了環(huán)境光感測(cè)功能，根據(jù)模擬環(huán)境光傳感器的輸入自動(dòng)調(diào)節(jié)背光電流，使屏幕亮度與環(huán)境光匹配，節(jié)省電池電量。圖4是采用NCP5890的多個(gè)白光LED應(yīng)用電路圖。
圖4：采用NCP5890的多個(gè)白光LED應(yīng)用電路圖
NCP5890是一款獨(dú)特的照明管理器，在極小封裝中集成了LCD背光、裝飾光控制和環(huán)境光感測(cè)功能。該器件輸出電壓為30 V，可管理多達(dá)8個(gè)串聯(lián)LED，實(shí)現(xiàn)LCD屏幕的均衡背光。該器件還可控制三組白光LED或RGB LED，在鍵盤(pán)或底盤(pán)上營(yíng)造出裝飾光圖案。NCP5890是緊湊型智能手機(jī)和便攜式媒體播放器專用解決方案。
此外，NCP5890還內(nèi)置了漸進(jìn)調(diào)光功能來(lái)營(yíng)造淡入淡出效果。環(huán)境光感測(cè)和漸進(jìn)調(diào)光都是內(nèi)置的自動(dòng)化功能，可以簡(jiǎn)單IC指令激活。該器件支持IC協(xié)議，有兩種不同的地址選項(xiàng)，還具有真關(guān)斷(true cut-off)功能，限制關(guān)閉模式下的泄漏輸出，以延長(zhǎng)電池使用時(shí)間。
總結(jié)
安森美半導(dǎo)體身為用于綠色電子產(chǎn)品的首要高性能、高能效硅方案供應(yīng)商，運(yùn)用其在低壓和高壓技術(shù)、電源管理方面的專長(zhǎng)，針對(duì)背光應(yīng)用提供了多樣化解決方案。除了本文著重介紹的一些典型應(yīng)用，安森美半導(dǎo)體還有各種為不同應(yīng)用優(yōu)化的LED驅(qū)動(dòng)器，以及創(chuàng)新的GreenPoint®工具，幫助設(shè)計(jì)人員實(shí)現(xiàn)交互式網(wǎng)上設(shè)計(jì)及驗(yàn)證，加速固態(tài)照明方案的設(shè)計(jì)。