:handshake 中大尺寸LCD背光应用的LED驱动方案

摘要: 本文简要介绍了LED的基本光电特性，并解释了需要恒流驱动LED及PWM调光的原因。在此基础上，介绍了目前应用在中大尺寸LCD背光上的几种LED驱动方案，并简要比较了各自的优点和不足。
关键词: LCD; 背光; LED; 恒流驱动; PWM调光

LED背光源取代冷阴极管背光源已成为趋势
面对全球环境保护意识日益高涨，产生了针对含有对环境有害物质的电子产品的限制与欧盟电子电机设备中有害物质禁用指令(RoHS)。因此全球各地液晶显示屏(LCD)面板、模块厂商均积极地寻求冷阴极荧光灯(CCFL)的替代解决方案。
与传统CCFL背光源相比，LED除了因为不含汞，符合环保要求之外，还具有色彩还原好、响应速度快、节能、安全、寿命长、体积小等优点。LED所具有的这些优势，正吸引着越来越多的厂商开始研制LED背光源, 在小尺寸的背光应用中, LED背光源已经基本取代了CCFL, 而成为背光源的主流, 而全球中大尺寸液晶屏模块，特别是大屏幕液晶电视的大幅增产必然带动其背光的产量提升。在中大尺寸液晶屏的应用中，LED背光源取代冷阴极管背光源也已成为趋势，未来必将成为LED产业增长的热点。
与用在手机等便携式产品上的小尺寸液晶屏的LED背光驱动方案不同，当液晶屏的尺寸逐渐增大时，需要几十甚至几百个高亮度LED同时点亮以提供足够的光源。 这往往意味着更高的驱动电压，更大的驱动电流，更严格的散热要求，更灵活的控制方式，更重要的是LED之间的电流匹配与均流。这就对中大尺寸液晶显示屏的LED背光驱动提出了更高的要求。

LED的光电特性及其驱动器要求
在了解LED的基本光电特性的基础上，电源驱动才能匹配LED的特定需要，才能够实现更完善的驱动策略。
LED实际上也是一种半导体器件。在LED的制造过程中，如图1所示， 在3英寸的LED晶圆外延片上，可以制造出大约3万粒左右的5mm LED的芯粒，然后再进行封装，测试，分拣，最后才能够得到可以使用LED产品。但在3英寸的外延片上制作的芯粒是可以分成很多BIN的，像蓝色部分的芯粒是整块外延片上比较好的芯粒，越往外芯粒越不稳定，最外面的边缘地带的芯粒，是整个外延片上质量最差的。所以实际上一块LED外延片上的LED芯粒的前向导通电压值、波长和光亮度都是不一样的，因此可以分成很多的BIN。而不同厂家不同批次的生产过程中，由于在晶圆生成，切割，封装等环节的环境不可能完全一致，在出厂前的得到的LED产品之间实际上存在着较大的差异。

图1 LED晶圆片
最后在市面上出售的LED，实际上是厂家已经按照波长和光亮等，进行筛选和分类之后的结果。由于LED在导通时，其电流的变化率远大于前向导通电压的变化率，因而测试其光学特性及分类时，大多基于一致的额定电流值（比如20mA或者350mA），再给出前向导通电压的变化范围，这样的结果，就是要获得预期的亮度要求，并保证各个LED亮度、色度的一致性， 需要相同的驱动电流。
同时为保证可靠性，驱动LED的电流必须低于LED额定值的要求。而且，当环境温度升高时所允许的额定电流会降低。由此可见，用LED为显示器或其他照明设备做背光源时，需要对其进行恒流驱动，避免驱动电流超出最大额定值，影响其可靠性。
由于LED出厂前的检测及分类，只是基于一致的额定电流值，因而出售的LED在额定电流值附近区域，其光学特性会很一致。但在距离额定电流值较远的区域，即使用相同的驱动电流，LED之间的光学特性也会出现较大的偏离。需要较低亮度时，一般会直接减少通过LED的电流，这样LED之间的亮度就可能存在很大的差异。比如，如果同样用5mA的电流驱动两个额定值为20mA的LED，其总体亮度会减少，但两个LED之间的亮度差异也会增加许多。中大尺寸LCD背光应用中需要几十甚至几百个高亮度LED同时点亮，如果其流过的电流偏离LED的额定值太多，即使流过每个LED的电流是相同的，也会出现亮度不均匀的情况。实际的运用中，一般采用PWM调光来解决这个问题。相对于模拟调光中直接控制流过LED的电流，PWM调光可以实现流过LED的电流保持在额定值，通过控制LED点亮或者熄灭的占空比来调节亮度，仍可以保持LED之间的亮度一致性。