应用新LED驱动技术减低LCD电视用电量

 根据超高效设备和器具部署计划(Super-efficient Equipment and Appliance Deployment，SEAD)，全球家庭耗电量当中有3～8%是由电视产生的。幸而，劳伦斯柏克莱国家实验室 (Lawrence Berkeley National Laboratory)的一项分析报告指出，技术改进，如更具效率的LED驱动，将在未来的日子大幅减低电视机的用电量。

毫无疑问，使用LED背光的LCD技术是唯一可行的方法，有助于厂商达到政府要求的能源效益目标。等离子电视的缺点在于每个像素都是活跃的光发射体，能耗直接取决于像素数量的多少，两者成正比关系。在相同分辨率和亮度下，高清等离子电视的平均能耗是LCD液晶显示器的2至3倍。近期有报导指出，备受吹捧的OLED技术也许未能如愿在短期内上市。事实上，这种大屏幕技术要求大量的投资，使市场却步。另一方面，若大型显示屏幕采用目前先进的TFT-LCD技术，以及配备局部调光功能的智能型LED背光技术，能耗和画面质量堪与OLED技术相提并论，但成本却要低得多。

然而，现在的LCD电视即使采用了LED背光技术，仍难以符合未来几年的能耗目标。不过新的LED驱动电路设计技术可保证显著的节能效果，大大有助于电视制造商满足严格的功耗要求。

不断变化的电视能耗标准

“能源之星”等电视能耗标准早于2008年面世，且每年都进一步降低电视的用电量限制。随着新标准规定任何尺寸的屏幕最多也只能耗用85W，大尺寸屏幕电须面对更为严苛的设计挑战。

“能源之星”这项厂商自发跟从的标准极具影响力，但并不是唯一的规范。例如，美国加州的能源委员会便发布了自己的标准，要求不但比“能源之星”更高，甚至禁止未达到相关能源效益标准的电视在加州销售。在欧洲，多年前已有欧盟能源卷标法例，方便用户直接比较不同家庭电器的能耗，以作为选购的凭据。有关法例目前已对电视、洗衣机、干衣机，以及汽车和车胎强制执行。

LED背光的操作

LED背光灯的能源会耗掉LCD电视电源系统的30%到70%电力。因此，背光灯电源电路的效率改善能大大提升整个系统的能源效率。与很多电源系统的惯常设计一样，许多小的能耗改善结合在一起，就可以大幅节省能源消耗。

实施LED背光照明有两种方法(如图1)。在间接或侧光式背光照明中，LED被安置在屏幕边缘，由导光板在屏幕上产生均匀的光线。这种设计能够在最大60吋的电视显示屏上提供非常好的光学均匀性，且背光灯单元的厚度仅为5至10mm。

在直光式照明系统中，LED灯直接布置在LCD背后，实现低能耗、高散热的设计，并带来卓越的扩展性，原则上对屏幕尺寸也没有限制。这种面板较侧光式照明方案厚一些，但若使用最新的配光技术，显示屏的厚度亦可以只有8mm。直光式照明的重要优点在于它能实现精确的局部调光，从而降低能耗及提高动态对比度，使最新的电视设计质量可媲美OLED产品。

图1 LCD电视有两种LED背光照明设计选择

LED背光照明系统架构选择

适当的LED背光驱动器系统架构能发挥最大的节能潜力，还可显著提升画面质量。同时，设计人员也追求局部控制LED灯串与最低物料清单(BOM) 成本之间的最佳平衡。

单串联和单DC-DC转换器

开关模式电源(SMPS)用来为串联的背光灯LED灯组提供电压。设计包含了电流源以调节通过LED灯串的电流。为了把功率损耗降到最低，在ILED源的电压需要比额定电压稍微高一点，以确保LED接收到指定电流(见图2) 。

图2 单串联单DC-DC转换器背光灯系统架构

通常采用的设计方法是在ILED 源与SMPS之间使用反馈回路，以调节SMPS的输出电压。这种反馈回路必须容许两个LED之间的正向电压(Vf)可以改变。白光LED的典型Vf约为3.2V，但每个LED的Vf 可以有多达±200mV的落差。因此，以一串有10个LED的灯串来说，VLE的总电压介乎30V至34V。DC-DC转换器所需的电压为：VDC-DC = VLED + VSINK;VLED = n*Vf(LED)。其中，VSINK的电压为0.5V，所以ILED源必须将VDC-DC稳定在30.5V至34.5V之间，视乎实际的LED正向电压。

多串行电路和多DC-DC转换器

通常采用单串联LED灯组并不足够，因为随着串联的LED数量增加，所需的输出电压也会增加。当设计超过一定的VOUT/VIN电压比率，SMPS的效率就会急剧下降。LED背光灯设计人员因此需要使用多个串行电路，从而避免SMPS的输出电压过高。

最简单的方法便是在每个串联灯组复制单串联单DC-DC转换器拓扑(见图3)。这样做可以提高效率，因为每个串行电路的电压是分开调节的。然而，每个串行电路都需要本身的DC-DC控制器、MOSFET、线圈、二极管和输出电容，使高昂的成本成了这种设计的缺点。为了节省所需的物料成本，设计人员可以减少LED的通道数量，改为使用长串联设计把多个LED放在一起。但是，这就会影响系统的局部调光功能，而这却是另一个重要的节能技术所在。因此，反复权衡，这种拓扑结构不见特别有吸引力。

图3 每个LED串行电路都包含独立DC-DC转换器的设计非常昂贵

采用单DC-DC转换器的多串行电路

为了减少物料清单的成本，一种更彻底的方法是采用单DC-DC转换器的多串行电路拓扑(见图4)。该方法的缺点是SMPS电压必须调节到略高于包含最高正向电压的串联LED电压，换言之，工作电压将会高于包含最低正向电压的串联LED额定电压。这意味着ILED 源电流必须耗散灯串这些多余的电量，结果产生了必须从电路板中去除的热量，也导致了功率效率的降低。

图4 采用单个DC-DC转换器服务多个LED串行电路，使SMPS电压未被充分利用