驱动新技术有助于降低LCD电视功耗

似乎毫无疑问，采用LED背光的液晶技术是达到官方所倡议能效目标的唯一可行途径。等离子电视技术存在以下缺点：每个像素都是有源的光发射器发光体，电视屏幕的像素数量直接决定了电视机的耗电量。在屏幕分辨率和亮度相同的情况下，高清等离子电视的耗电量是液晶电视的2倍~3倍。

根据近期报道，之前备受推崇的OLED(有机发光二极管)技术难以快速推广。因为这种大屏幕电视尖端技术需要巨额投资。不过，如果大型显示面板采用目前最先进TFT-LCD技术以及带局部调光的“智能”直接LED背光，则成本远低于OLED，而功耗与图像质量毫不逊色。目前生产的LCD电视(即使是采用了LED背光)仍然难以达到未来几年设定的节能要求。然而，LED驱动器电路的设计新技术有望大幅降低功耗，使电视机生产商满足严苛的功耗要求。

电视机功耗标准不断提高

电视机标准(如能源之星)于2008年开始制定，之后标准当中规定的电视机耗电量逐年递减。当前标准规定，现在任何尺寸屏幕的最大功耗为85W。这个标准给大屏幕电视的设计带来了更大的挑战。

能源之星是一项针对高能效消费产品的国际标准，具有很大的影响力。生产商可以自行决定是否遵从该标准。此外，类似的标准还有很多。例如，美国加利福尼亚州能源委员会就自行制定了一套功耗标准，并于2011年开始生效。加利福尼亚州能源委员会制定的这套能耗标准比能源之星的标准还要严格，该标准规定：不符合能耗标准的产品禁止在加利福尼亚州销售。

在欧洲，多年来规定已经允许对白色家电的功耗做直接比较(欧盟功耗标签)，消费者可以用它作为购买决策的依据。这些规定现在已成为电视、汽车和家用电器的强制标准。

LED背光

在LCD电视的总耗电量中，LED背光组件的耗电量占其中的30%~70%。因此，要降低整台电视机的耗电量，首先要设法降低LED背光组件的耗电量。有时候，只要稍微提高某些组件的运行效率，设备的总能耗就会大幅降低，这种情况在电源系统设计领域极为常见。

实现LED背光的方式有两种(如图1所示)：间接式背光和直下式背光。如果使用间接背光技术(也称为侧光式背光)，LED排列在屏幕的边沿。一个光导将光源均匀地分配到整个屏幕。这种结构对60英寸以内的屏幕有良好的光照一致性，能够实现厚度仅为5mm~10mm的背光单元。

图1: LED背光在LCD电视中可以通过两种方式实现：间接式背光(也称为侧光式背光，如图a所示)和直下式背光(如图b所示)。

如果使用直下式背光技术，LED则直接排列在LCD屏幕后方，这种方式不仅耗电少易散热，而且还具有很好的扩展性，尤其是对屏幕尺寸没有限制。与侧光式背光相比，直下式背光技术的LCD屏幕一般更厚一些。但随着光分布技术的进步，现在有些屏幕厚度已经降至8mm。直下式背光的一个突出优势是可以实现完美的局部调光。局部调光既可以降低电视耗电量也可以提高动态对比度，从而使最新的电视设计能与OLED电视相媲美。

系统架构

对一个LED背光驱动系统架构的选择能够最大程度地节约能耗，大大提高图像质量。设计人员要在LED串的局部控制与最小材料清单(BOM)之间找到一个最佳平衡点。

在一个单串、单DC/DC转换器的背光系统中，开关电源(SMPS)为排列成串的背光LED提供电源。一个电流阱用于调节通过LED串的电流。为了尽量降低耗电量，ILED阱的电压必须略微高于所需电压，以保证LED获得其规定的电流(如图2所示)。

图2: 为了尽量降低单串、单DC/DC变换器背光系统的功耗，ILED阱的电压必须略高于所需电压，以保证LED获得规定的电流。

为了达到上述要求，通常需要在ILED宿和SMPS之间布一个反馈电路对SMPS输出的电压进行调节。这个反馈电路必须能够承受LED之间正向电压(VF)的波动。一般情况下，流向白光LED的额定正向电压约为3.2V，浮动范围为±200mV。因此，如果一串LED串中含有10个LED，该LED串的总额定电压(VLED总量)则为30V~40V。

DC/DC转换器的所需电压可以表示为：VDC-DC=VLED+VSINK，其中VLED=n×VF (LED)。假设VSINK为0.5V，则ILED阱需将VDC-DC的范围调节在30.5V~34.5V之内，具体取决于实际的LED正向电压。

单串LED一般都不适合，因为随着串内LED数量增多，所需要的输出电压也随之增加。超过了一定的VOUT/VIN比率后，SMPS的效率就会大幅下降。为了防止SMPS输出的电压过高，LED背光系统设计者一般会使用多个LED串。

最简单的方法是为各个串完全重复这种单串、单DC/DC转换器结构(图3)。这种方法的优点是效率，因为每串LED的电压都可以单独调节。而缺点则是成本较高， 因为每串LED都需要自己的DC/DC转换器、MOSFET、线圈、二极管，以及输出电容。为了节省BOM成本，设计者可以减少LED通道的数量，而采用单串上多LED的长串。但这种办法也会影响系统的局部调光功能，而局部调光正是降低电视耗电量的另外一种重要技术。因此，这种结构的优劣折中并不具备太大的吸引力。

图3: 每个LED串都配备单独的DC/DC转换器，这是成本较高的选择。

降低BOM成本的一个更有效的办法是，采用多LED串+单DC/DC转换器的结构(图4)。但这种方法也有自身的缺点，即SMPS输出的电压要调节在高于LED串的最大正向电压，这意味着，其工作电压要高于那些有较低正向电压串的电压需求。结果，ILED阱必须消耗掉额定电压较低LED串的多余电压，产生的热量必须从电路板传导出去，而且降低了功率效率。

图4: 多个LED串配备一个DC/DC转换器，则SMPS电压不是最优。

在效率与BOM成本之间取得最佳平衡的架构是：将前述多串与多DC/DC转换器架构的元素结合起来。这种混合架构(图5)有多只DC/DC转换器，为成组的LED串供电。

图5: 混合架构方案获得了BOM与功率效率之间的最佳平衡。

这种多串的混合架构方案可提供最好的整体能效，因为它兼有直下式背光系统的局部调光与良好DC/DC输出电压调节的优点。另外，它的BOM成本也大大低于等效的多串与多DC/DC转换器架构。

电流调节

因为生产工艺关系，厂家生产出各支LED的亮度和色温都有较大的差异。为便于用户使用，白光LED厂家将具有相近性能的LED(如颜色、亮度与正向电压)按组为单位(或“批次”，bin)做归类。但是，厂家是根据特定标称工作条件对每只LED的亮度和色温进行划分。这意味着，要使LED发出特定的亮度和颜色，通过LED的电流必须设定为数据表中注明的标称电流。

因此，只有通过一个数字PWM控制信号，切换送给任何on(有标称电流)或off(零电流)单只LED的电流，才能实现调光和对亮度的控制。如果使用模拟调光，LED将工作在超出其指定标称电流的范围内，这会产生不可接受的色温变化，以及各只LED之间的亮度匹配不良(图6)。

图6: 同一批次LED的亮度只确保在标称电流下的匹配(在本例中，为20mA。)

电流阱性能

LED工作时需要一个完全稳定的恒流电源，于是，LED驱动器的主要功能就是：当LED点亮时将电流调至标称值；在LED关闭时将电流调至0A。因此，用于控制调节精度的反馈回路就需要一个高精度的电流阱(图7)。

因为电流阱的设计样式很多，根据电视背光的精度需求，要用一个精密运放独立设定ILED电流，而与ILED电压无关。但背光驱动应用的任务要更为艰巨，因为即使在电流阱的电流变得极低的水平时，也必须维持电流调节的精确度。

要达到这个要求并非易事，但由AMS公司设计的四代精密电流阱LED驱动器专门设计用于这些应用。AS369x、AS381x、AS382x，以及AS385x器件均带有一个失调补偿运算放大器。电流阱驱动器需要一个最小漏极电压(VDS(SAT))，以确保完全的精度，以及电流阱晶体管在饱和区内的正常运行。在饱和区域内，主要由栅源电压控制输出电流。

如果电流阱高效运行，则重要的是VSET和VDS之间的压降小。内置失调抑制功能运放的LED驱动器可将VSET保持在低至125mV~250mV的水平。要让VDS有一个高于VDS ( SAT)150mV的额外的裕度， 则电流阱就要有大约400mV的总压降。如果一串LED含有8个LED(VF=8×3.2=25.6V)，则ISINK会产生大约1.5%的功率损失。若AMS的背光LED驱动器不支持电压失调抑制功能，则所需的VSET就会更高，这样一来在电流阱上的功率损失也会更大。

电源优化

如上所述，从LED驱动器到SMPS之间的反馈回路将漏极电压设定为最小值。输出电流阱的实现方法有两种，一种方案是用简单确定的电流输出驱动器和一只外接电容(图7a)；也可以采用一个数字控制电路设定起动/释放时间，并用一个数模转换器(IDAC)控制电流输出(图7b)。

上述两种方案均提供高的效率，适用于带电压反馈的所有类型SMPS，也可以将来自多个驱动器的反馈线接到相同SMPS上，如混合架构系统要求的那样。不过，第二种数字实现还具备一些特殊优势。除了无需输出电容器以外，数字电路还使设计人员不用定义反馈系统的起始和衰减时间。将一个带衰减延迟的快速起动时间与相对缓慢的衰减相结合，可以提高显示器的性能。

在需要快速改变亮度的场景下，上述数字电路的优势体现得更为明显。此时，当屏幕由暗改变至全亮时，快速的起动时间消除了可察觉的虚假亮度效果。模拟解决方案是在一个短暂黑帧期间，逐步地调节LED的输出，因此如果下个明亮帧是全亮，就会产生一个可察觉的延迟。