直下式LED背光源驱动应用探讨

LED应用于电视背光模块，因有着低耗电、薄型化与高色彩饱和度、高对比度的特性，LED背光机种俨然成为中高阶电视的同义词。而LED TV在背光源则又分为直下式与侧光式。

　　侧光式LED背光将LED灯条放置在TV模块侧边再搭配导光板，让LED背光模块达到均匀的亮度，而放置在侧边的LED背光可减少整体电视厚度、打造出更轻薄的机身。而直下式LED 背光分为二种，传统直下式LED是把LED 晶粒均匀地配置在液晶面板后方当作发光源，使背光可以均匀传达到整个屏幕，而传统大尺寸直下式LED TV背光常常须要用到上千颗LED晶粒，成本相对较高，但直下式的好处是能够分别设置不同的背光模块权责区域使后画面细节更细腻逼真，属于高阶直下式（High-End Direct）机种，然而LED晶粒过多且线路设计复杂成本较高的问题下，未能成为市场主流。然而近期在LED晶粒发光效率不断拉升成本不断下降及导光板价格却居高不下的情况下，南韩TV业者如三星电子（Samsung Electronics）及乐金电子（LG Electronics）为吸引消费者需求，开发出消耗电力较低、价格亦较低的直下式LED TV机种，价差与CCFL 型LCD TV拉近至10%以内，因无分区及时序同步控制一般称为低阶直下式（Low Cost Direct）LED TV.

　　低价直下式LED背光就整体背光模块而言使用更大的LED芯片，但仍然是以数组式，并且将LED封装上增加了一个特殊的透镜，进一步提高发光效率，因此可以使用较少的LED.背光模块较厚，因为LED的光线需要足够的反折射空间，因此它与一个传统的CCFL背光模块的厚度差不多。直下式的LED最大的好处是可以减少导光板（LGP），因而成本降低。通过移除增亮膜（DBEF），成本可更进一步降低。因为没有导光板，就需要高效率扩散板来保持的亮度均匀性。另一个方面是降低了面板的亮度。综上所述，此方法创造一个直下式的LED背光模块其厚度与CCFL机型相同，但是成本却低于侧光式的LED背光模块。

　　就使用LED晶粒而言，低价直下式采用的系1瓦以上的高功率LED,相比之下，侧光式LED TV使用的是1瓦以下的中低功率LED,由于高功率LED的面积较大，低价直下式背光源模块厂能以较少的LED使用颗数，即可达成系统客户对于亮度的要求。 以40吋以下的LED TV估算，侧光式约采用七十至八十颗LED,低价直下式则仅达二十至三十颗；尽管高功率LED面积为中低功率的两倍，然在使用颗数显著减少之下，低价直下式LED TV的LED总成本将较侧光式LED TV明显降低。

　　许多电视面板制造商在设计这个新概念时，都朝向与CCFL背光模块相同的成本来努力。挟着与冷阴极管（CCFL）相近成本的优势，低价直下式LED背光正快速在入门级和主流液晶电视市场攻城略地。NPD Display Search指出，在低价直下式LED背光的助阵下，LED背光正加速取代CCFL,并可望在2015年达到100%的市场渗透率（图一）。反观CCFL背光的液晶电视机种，则将面临停产的命运。

图一： 2009年至2015年NPD Display Search对各种LCD TVBacklight技术渗透率分析。

　　Edge LED Backlight

　　一般应用于侧光式LED backlight driver以4通道电流源的升压控制驱动器为主流，以Leadtrend LD7889为例，其拓朴架构如图二所示。LD7889的升压控制器采电流模式控制，电流模式控制优点有：（1）具电压前馈的特性，控制电路可立即修正输入电压的变动，且误差放大器能够专门对负载变动做校正，当电源或负载发生变化时能迅速反应。（2）逐个脉冲检测和调节电流，能够准确且灵敏地控制激磁和半导体组件的正确电流，并限制最大输出电流，因此电源的过流及短路保护也很灵敏与迅速，转换器运作的可靠度大大提高。（3）单极点的频率响应，误差放大器的补偿可使用较大的增益带宽，对负载变动有较佳的动态响应。而4信道LED驱动器采线性电流平衡机制，其优点为（1）使LED电流精确度高且电流涟波较小（2）当进行调光时，反应速度快（3）提升整体系统稳定度（4）降低EMI.

　　综合上述优点，LD7889又要求（1）线路精简化，将驱动LED的功率组件整合至控制IC内，（2）效率优化，LED通道有较低的调节电压，（3）高压制成（约60V耐压） ,满足现阶段侧光式LED电压需求。所以此类电路架构广受LED backlight电源设计者喜好。

图二： LED Backlight拓扑架构：Boost Converter +Internal MOSFET Current Balance.

Low Cost Direct LED Backlight

　　由于低阶直下式LED TV,使用Lightbar多分为二种type,一种是利用1瓦左右高功率LED以降低LED使用颗数及减少导光板，以进一步降低整体物料成本，但1瓦高功率LED驱动电流相较侧光式LED TV所使用的低功率LED驱动电流大出2~3倍，而另一种使用LED为高压LED,LED内部晶粒采用串联方式连接，灭少LED封装成本，而LED Lightbar输出电压较传统LED高出一倍。

　　而LD7889可提供多Channel并联应用，可提供每串LED最大960mA操作电流，可符合高功率LED应用；LD7889并联模式可提供：

　　1. 2 Channels 并联：LED1//LED2 and LED3//LED4,图三之一

　　2. 4 Channels 并联：LED1//LED2//LED3//LED4,图三之二

图三（一）： LED1//LED2 and LED3//LED4 parallel application.

图三（二）： LED1//LED2//LED3//LED4 parallel application.

　　由于LD7889内部为60V高压制程，当LED Lightbar电压超过60V时，可由外部串联高压MOSFET,利用高压MOSFET Gate电压的拑制，可以阻挡IC端直接接触到高压问题，如图四所示，以符合LED Lightbar高电压应用问题。

图四： High Voltage Lightbar application.

　　结论

　　LED背光电视市场于2009年开始迅速成长，但2011年全球环境不景气，再加上侧光式LED TV与CCFL LCD TV还存在着约30~40%价差，导至LED TV需求疲弱，市场普及率不如预期的大幅提高。因此LCD 电视系统业者为吸引消费者需求，开发消耗电力较低、价格也相较低廉的低阶直下式LED TV机种。通嘉科技所提出LD7889可透过外部系统应用，再配合完整且全面LED TV系统应用保护，不论在低阶直下式或是传统侧光式LED TV,LD7889实为一优异之LED TV Backlight驱动的解决方案。