详解保护机制 LED背光模组安全性升级

现今已有越来越多电子产品采用LED背光模块，为确保背光模块性能，LED驱动IC的保护功能已格外受到重视。良好的保护机制必须针对拓扑的输入、输出与LED背光等部分，进行全面且完善的考虑，并要同时兼顾高LED驱动电流能力与电流平衡。

 
　　然而，在LED背光模块开始大放异彩的同时，不得不同时思考着LED背光模块失效模式的预防，这可避免因其失效而产生使用安全性的疑虑，尤其当应用场合从家庭慢慢延伸至公共场合时，LED驱动集成电路(Driver IC)保护动作机制就显得格外重要。 

　　目前LED驱动IC主要保护机制分为对拓扑架构的保护，例如过电压保护(Over Voltage Protection, OVP)、过电流保护(Over Current Protection, OCP)、短路保护(Short Circuit Protection, SCP)，其相关保护不外乎针对电性应用上的保护，或者是模块端、系统端制程相关的保护，而目的均以安全考虑或不损坏系统端组件；还有对LED灯条端的保护，例如LED开路保护(LED Open Protection, LOP)、LED短路保护(LED Short Protection, LSP)；由于LED属于半导体物理组件，过高的操作电压及长时间的操作电流皆会造成LED组件损伤，因此如供电电压不稳、LED线路间或本身质量因素造成短路，或是开路都会使LED失效造成亮度差异，进而影响面板画面质量及LED的寿命。本文将针对不同的保护机制动作原理及判断机制做深入的探讨。

　　LED背光保护机制各有专长

　　一般应用于LED驱动的拓扑架构均以提供LED稳定电流为目标，再以输出与输入的电压关系选择适合的拓扑架构；相较于目前的应用，LED亮度与电流、应用的数量成正比，所以为求高亮度与多颗LED串联，其多串并联使用为现今背光模块大多数的应用方式。

　　而其所须提供驱动LED的电压也相较比输入电压高；此时升压式转换器(图2)就是一个相当不错的拓扑架构，但因其为升压架构，若有任何异常发生时，异常的高电压输出与高输入电流将是设计人员考虑的必要因素。

 
图2 升压转换器+多通道电流平衡

　　若把需配合电源系统的交流转直流的因素考虑进来，时下返驰式(Flyback)、半桥谐振(LLC)(图3)配合电流均流IC回授控制前级均是目前应用的主流。在此，将针对拓扑端的失效模式与LED端的失效模式应具备的保护机制逐一介绍。其相关LED背光保护机制有OVP、输入过电流保护、输出过电流短路保护、LED开路保护、LED短路保护、过温保护。

 
图3 多通道电流平衡

　　输出过电压保护的LED驱动多为升压式转换器(图4)，如未有过电压保护，在回授讯号异常时，输出电压有可能超出组件所能承受电压，造成组件及LED损坏。因此LED驱动器的过电压保护设定保护点须考虑LED最大操作电压(图5)，以求能正确保护LED及其他组件，且不会因为LED的零件误差造成保护误动作。

 
图4 LED驱动器过电压保护区块

 
图5 LED驱动器过电压保护时段

　　输入过电压保护主要是保护开关组件N型金属氧化物半导体场效晶体管(NMOS)及防止电感L发生饱和现象(图6)，当输入电流过大时，升压式转换器会强制关闭NMOS(图7)，限制最大输入电流。

 
图6 LED驱动器过电流保护区块

 
图7 LED驱动器过电流保护时机

　　输出过电流短路保护(图8)是当升压式转换器的二极管(Diode)未连接或输出短路到地时，LED驱动IC会判断回授系统异常，进而关闭LED驱动IC以防止能量继续输出而导致整个转换器的损坏或系统的烧毁(图9)。

 
图8 LED驱动器短路保护区块

 
图9 LED驱动器短路保护时机

　　LED开路保护是由于LED因本身质量不良或光条连接系统间，发生连接不良开路现象时(图10)，VD电压会接近0伏特(V)，此时Boost升压转换器会因无侦测到回授讯号进而将输出电压Vout提高，如未有LED开路保护将异常回路从升压转换器回授控制中隔离，则多余电压会跨于正常工作的LED驱动或外部稳流NMOS上(图11)，其公式为：PD=ILED×Ve。将会造成组件过热的问题发生。

 
图10 LED驱动器开路保护区块

 
图11 LED驱动器开路保护时机

　　LED短路保护的用途是LED因线间链接接触问题或是LED质量不良，LED发生短路；当LED短路发生时(图12)，多余电压会跨在LED驱动或外部稳流NMOS上，其公式为PD=ILED×VLED-Short。当LED短路颗数过多时，LED驱动及NMOS会有过温的现象发生(图13)。

 
图12 LED驱动短路保护区块

 
图13 LED驱动器短路保护时机

　　监测温度功能可避免照明中断

　　过温度保护的过温度失效模式约来自于两大部分，首先是使用高亮度LED做光源时，相对的其产生的热也较高。当此类LED在应用时，虽可发出足够的光及有效减少LED的使用数目，但其所产生的另一个副作用即是热。在正常的使用条件下，多少LED电流会对LED产生多高的温度是可预期的。但当故障发生时，过高的温度会使LED的亮度产生衰减甚至会损坏LED，此时IC须有侦测温度的功能，当侦测到异常高温时，可降低LED电流而降低亮度使其温度降低，待温度持续降低到可接受值时，再提高LED的亮度，此保护功能可避免因异常温度引起的照明中断；相对的亦可停止LED输出电流的供应使照明中断。其次，当LED短路或其他使IC本身发生异常之高温，此时须由IC本身之过温度保护侦测动作来保护异常动作的持续发生，以避免相关的安全性问题发生。

　　兼顾高LED驱动电流/电流平衡　高整合度解决方案大展身手

　　LED取代冷阴极灯管(CCFL)做为背光源应用于笔记本电脑、桌上型显示器、电视等10吋以上大尺寸面板，其LED背光源模块的背光驱动IC保护功能整合就更显得格外重要，综观上文叙述， LD7889能够针对拓扑之输入、输出与LED背光提供一完整且全面的保护，且其为一将升压架构与电流平衡高度整合的LED解决方案，可以针对各串LED电流提供高精度之电流平衡度(<2%)，高LED电流之驱动能力，如每一个LED串=240毫安(mA)，对于三维(3D)的应用也能提供如2毫秒(ms)，400毫安/每串瞬间高电流的LED驱动能力。就其全面的失效保护功能以及兼顾高LED驱动电流能力与电流平衡的高精度考虑之下，LD7889确实为一优异的LED背光驱动解决方案。