驱动设计匹配LED背光方案以优化节能

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能源之星认证6.0方案获得通过，它将要求所有2012年秋季前大于50英寸的电视的能耗必须不高于85W。两年前，此类电视耗能还接近200W。上述严格的标准旨在全球范围减少能源消耗，已经在液晶电视领域引发了显著了创新，特别是电视中的主要耗能部件一一背光照明单元(Backlight Unit，BLU)。基于LED的背光单元能显著降低能耗，但驱动器设计必须针对直下式( direct-backlit)和侧光式(edge-backlit)背光方案进行优化。

液晶电视的液晶电视的主动能耗有两个组成部分：显示功耗及基准功耗。基准功耗包括电视图像的处理及主电源等，

约为总功耗的三分之一。各种器件和不同的使用设置会影响基准功耗、如帧率和电源效率等。对3D电视而言，额外的图像处理工作、更高的刷新率以及更高的亮度使其功耗相比标准电视高50-100%。类似地，智能网络电视要求更高性能的处理器、更多的内存及其他器件也会增加功耗。然而，基准功耗的增加也只占电视总功耗的一小部分。

显示功耗指的是液晶屏幕、背光单元以及相关电路所消耗的功率，占到电视总功耗的约三分之二。因此业界很自然地会关注于降低该部分的能耗。

显示功耗较高的原因主要在于液晶电视的光效率太差。液晶面板的透光率极低，只有约4-6%，从背光单元发出的光需要穿过光导、漫射器、光学薄膜以及色彩过滤器等。例如，假如背光单元产生光的亮度为8000-10000 cd/m’，最终人眼可见的光输出通常只有约380-450 cd/m2。

因此背光单元必须产生相当高亮度的光以满足要求，于是消耗了液晶电视中最大部分的功率。背光单元效能方面的任何改进都能使液晶电视的能耗大幅降低。

图l、不同LED背光单元的特性。

几年前冷阴极荧光灯(CCFL)背光还是液晶电视中最大的能耗部件。CCFL背光所消耗的大部分功率都被浪费了，因为当电视图案较暗时CCFL灯管也很难将亮度合适地调暗。故而液晶电视很快过渡到采用LED背光。LED本身的特性就包括更小的功耗、快的开夫切换速度。上述特性使LED成为CCFL理想的替代，良好的亮度调节既能改善电视画质又可降低能耗。

LED背光照明方式

怎样使LED背光以达到成本、效率和画质组合的最优化，业界还有不同意见。不同的背光方式对电流和电压特性要求大不相同，因此不同的背光方式对驱动系统也有不同要求。三种常见LED背光方式的相对电流和电压特性如图l所示。

在侧光式(Edge-lit)设计中，条状LED灯组被置于屏幕的两侧或四周边缘处。侧光式背光是笔记本电脑屏幕和液晶电视最早的背光设计方案。过去几年在大屏幕的侧光式背光中使用LED的画质被认为还不如传统CCFL背光。

表1、不同LED背光类型的特性。

为了改进画质及充分发挥LED快速切换的能力，出现了另外两种背光方案，着重强调针对屏幕局部区域的背光亮度调节。直下式背光设计将LED直接置于液晶面板背后。该设计能对小区域内的LED进行亮度调节，具有较小的粒度。混合侧光式(Hybrid Edge-lit)，也被称为分段侧光式设计是将LED置于屏幕的侧边，但仍然支持对横向排列的各段LED单独进行亮度调节。直下式和混合式利用对背光亮度进行局部调节，能显著增强黑色的深度、画质均匀性和可视角，并减少运动模糊。表l总结了各种背光照明方式及其特性。

驱动系统的要求与挑战

不同背光谩计方案所要求的驱动架构也相当不同。侧光式的驱动一般要求非常高的输出电压(几百伏)以驱动串联的LED条组。其挑战在于需要驱动多条互相之间并联的LED条组，并匹配电流和正向电压。然而这种背光方式在电视开启时始终保持所有的LED在点亮状态，这无疑浪费了大量的功耗。LED只能依靠其基准效率优势来减少一点能耗。LED能被整体调暗，该技术也被称为整体亮度调节，但该种技术并不能提高画质。

侧光式电视的驱动需要高电压、升压拓扑设计。典型电视电源的电压为12-14V，作为驱动电路的输入。驱动电路会将电压提升10-20倍，同时努力保持高效率。

驱动系统本身是一个分立的DC-DC设计，在某些情况下主电源能从交流输入直接输出一个高电平。对驱动部分的效率要求达到90-95%左右。通常会将上百个LED串联在一起。某些设计中会使用串并联混合，以降低每串LED的电压要求。

目前市场上绝大多数的LED背光电视采用基本的侧光式设计。该种方式驱动的关键挑战是在高电压下保持高效率，并尽量减少使用器件的数量。图2显示了侧光背光式电视的典型驱动架构。

直下式背光驱动器

在直下式背光设计中，LED直接位于LCD液晶面板的背后，并划分成面积较小的区域进行分别控制。每个区域包含若干颗LED，可对其进行局部控制。各个区域的排列方式和LED数量由制造商根据屏幕的尺寸、画质要求及其他因素进行选定。区域划分的数量越多画质越高，但随之也会增加LED和驱动系统器件的数量，并相应的增加成本。

图2典型侧光式背光的驱动设计。

图3.直下式及分段侧光式LED背光的典型驱动设计。

图3为典型直下式和分段侧光式电视背光的驱动系统设计。与侧光式设计相比二者所要求的驱动电压低得多，高效驱动的设计变得更加简单。直下式与分段侧光式设计相比LED串的数量多得多，但每串中LED的数量较少。

直下式背光设计驱动的主要挑战是数量。采用该种技术的电视可含有超多100串LED。而典型的驱动器只能处理8-16个通道。因此一台电视需要多个驱动器。

典型的直下式背光电视中。LED占到背光单元材料成本的约40%，而驱动只占到约20%。LED的成本、功率、以及系统复杂度都是这种方式的劣势。

LED具有不同的正向电压(Vf)。即使经过分拣，众多串LED间正向电压的显著区别导致电视中大量功率被浪费，产生了多余的热量，并增加了LED与热应力相关的失效几率。

分段侧光式背先驱动器

直下式背光所需的LED和驱动器件数量及其成本，促使更多厂商选择分段侧光式方法。画质并不是消费者在购买时考虑的唯一标准。很多情况下，更薄的外观的是关键的卖点，分段侧光式方案能使电视更薄。2011年涌现出了超过60种侧光式背光电视，该数字在2012年还渴望快速增长。

根据屏幕大小以及制造商对于分段数的要求，采用分段侧光式背光的电视需要12-48通道的LED。鉴于相对较多的通道数量，直下式背光驱动的挑战这里同样适用，只是程度相对较低。前面提到的热相关问题依然存在，迫使电视制造商采用若干额外的分立器件，也显著增加了成本。

不断提高的驱动IC技术能帮助我们克服上述的热管理及成本问题。例如iWatt开发出了一种自适应式的切换技术，它将检测检测各组LED的正向电压Vf，一旦出现失配就将自动对各个LED通道进行适当的调节，从而减少90%的功率浪费。该技术还能减少设备产生的热，并使驱动器通过集成MOSFET来管理更多的通道。例如，1W7032驱动IC能处理32个并联的LED条串。

LED驱动IC成为了LED背光电视能被广泛采用的关键技术，LED本身巨大的节能潜力当然功不可没。驱动方式以及相关的背光构架籽会随着液晶显示技术和电视的创新携手前进。

由于其能最好地满足消费者对于高画质和低成本的要求，分段侧光式设计逐渐成为了背光单元设计架构的最佳选择。但仍然有能接受高能耗成本支出并追求更佳视频质量的消费需求，促使直下式背光液晶电视需求的不断增长。直下式背光的新进展，例如多区域面积的大小、更少的分区，以及超级选择性电流控制等，将挑战传统驱动的实现方式并进一步降低成本。