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白光LED驱动IC设计与技术发展

晨怡热管 2009-4-28 16:16:39

前言:在追求广色域的目标之下,全球液晶电视业者纷纷开始导入LED的背光结构,当然这并不是一件简单的事情,除了成本的考量之外,最重要的莫过于耗电的话题。

Sony在2004年所发表的40寸及46寸LCD用LED背光模块Qualia 005,在采用450颗3原色LED之后,耗电量就高达450W以上,不过随著技术的提升,Sony在2007年所销售的70寸LED背光液晶电视的耗功 率已经大幅下降到200W,所采用的3原色LED数量还是450颗,这样的数字是相当惊人的,因为利用2年左右的时间,就可以将耗电量减少一半,并且可支 持的面板尺寸也将近增大1倍。

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图说:背光模块Qualia 005,在采用450颗3原色LED之后,耗电量就高达450W以上。

液晶电视迈向降低耗电量时代

姑且不管Sony是如何达到这样的技术目标,事实上,降低电视背光耗功率的技术研发一直在全球业者之间不断的进行著,而在2006年初,根据日本媒 体的报导,当时32寸液晶电视总耗电量为180W左右,预计到2006年下半,当时被称为主流尺寸的32寸液晶电视,总耗电量有可能降低到100W以下。

但是如果转换成目前主流的40寸液晶电视,详细的作法观念是,基于液晶电视每年都以15%左右的比例降低耗电,所以到2006年底以前,总耗电量将 会降低到230W左右(270W X 15%),如果再加上能够提升背光模块技术的话,就有机会将背光模块的耗电量降低40%,如此一来总耗电量就将近159W,依照这样的进步速度,2010 年时,总耗电量就可以达到100W。当然,在这样目标之下所指的背光还是冷阴极管。

液晶LED背光已被市场所期待

但是无论如何,LED背光模块已经是被市场所期待的技术之一,也就是说,所面对的高耗电课题,已经是不得不去解决的了,因为对于大尺寸的液晶电视来 说,有将近60%的电力是消耗在背光模块上,不过要降低总耗电量并不是只有LED背光这个单一的方面,另外还包括改变驱动电路技术、强化导光效率、降低热 效应现象等等,也都是辅助降低总耗电量的技术。

目前根据应用的不同,LED的点灯方式也有所不同,大多的液晶电视多采用直下式的背光,而包括监视器以及小尺寸应用的产品,都是以侧光式为主,这是 由于双方对于辉度与演色性需求差异下的区隔。一般来说,监视器多是使用侧光式的RGB3原色的点灯方式,如果是更小尺寸的应用,例如是车载导航用面板、手 机面板、PDA用面板等等,就多是使用白光LED的侧光方式,不过侧光白光LED的背光方式,已经逐渐朝向大尺寸化发展,目前包括有部分的笔记型计算机也 开始采用侧光白光LED的背光模块,因此在外型的设计上,更能达到薄型化、高弹性的目标,虽然白光LED在红色表现部分,有演色性不足的问题,但是因为笔 记型计算机大多是用来进行文书等等静态画面显示,期望达到与液晶电视相通同质量的用户毕竟不多,所以,基本上演色性不足并不是太大的问题,不过当然还有可 以克服的方式,例如在白光LED的阵列中加入红光LED等等,这些方式也一一的被背光模块业者所克服。

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图说:目前根据应用的不同,LED的点灯方式也有所不同,大多的液晶电视多采用直下式的背光。

引颈期待高效率高辉度的LED

但是如果期望实际的普及3原色LED背光,相信还有很多的问题需要解决,甚至于要耗费数年的时间。其实说穿了根本关键还是在成本,因为对于液晶电视 而言,所需要的是高辉度,所以必须采用1W以上高效率、高辉度的LED,在加上因为是直下式入光,所以3原色LED使用的颗数,有可能会因为面板尺寸的增 加而增加LED使用颗数,但是如此的作法又会带来另外的问题,那就是热效应会因为3原色LED使用数增加而爆增,如此一来那就必须采用更多的散热鳍片、风 扇、散热管等等来维持模块内的温度,此外,使用数量庞大的LED,而为了使色调统一,除了要严谨的筛选发光波长相同的LED之外,还必须采用Color Sensor来调整RGB色差,但所造成的影响便是成本的增高,因而无法有效的让售价符合消费者的期望值。不过这并非绝对的,另也可以使用其它的技术来达 到面板尺寸增加,而不必使用太多的3原色LED数量。

不过,期望降低LED背光模块的耗电量并非是背光模块与液晶电视系统业者所需要努力的,其实对于LED芯片业者来说,也扮演著相当重要的角色,因为 如果芯片业者的努力能够强化LED发光效率的话,那么LED对于电力的需求也就因此而大幅度的降低,而所得到的效益也就会直接反映在LED背光模块上。

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图说:要降低总耗电量并不是只有LED背光单一方面,包括改变驱动电路技术、强化导光效率、降低热效应现象等等,也都是辅助降低总耗电量的技术。

热效应问题是老生常谈却不易解决

最近这几年来,LED芯片业者相当积极的开发高亮度LED芯片,最实际的做法就是如何让LED能够支持更大的电流,来让LED产生更大的辉度,以目 前的规格来说,一颗面积30um2 的LED所能承受的最大电流为30mA左右,这样的结果还是无法符合在应用上「让LED产生更大的辉度」的需求,因为市场所期望的是能够在面积为1mm2 的LED芯片中导入350mA的电流,让单芯片产生更高的内部量子效率,如果驱动电压是3V的话,那么换算之后,被流入LED的电力就有将近1W左右。

但是,并不是一味地提高电流量就可以了,因为根据经验,所流入的电力有4分之3左右,都会产生热效应,也就是说,只有4分之1(0.25W)会转换 成光,而0.75W左右的电力,都会便成热效应。而热效应所带来的困扰,众所周知,LED会因为温度而改变光波长,并且降低发光效率,造成画质的演色偏 差。

对于LCD背光用的白光LED开发课题来说,不仅仅是提高LED的发光亮度,还必须包括辉度均一性、高色彩演色性、提高使用长寿等等的挑战,因此在完成高电流的LED芯片之后,如何封装在热传导率大、热容量大的材料上,就成了业者相当重要的课题。

藉由封装提升光输出功率

目前产生白光的LED方式,已经从传统的利用蓝光LED加上黄色萤光粉,朝向多元方式发展。经过这些年来的技术努力,白光LED的发光效率,和过去 相比可以发现已经大幅的提升,日本的LED照明推进协会预计,100 lm/W的白光LED将会达到每流明1日圆的实用化阶段。达到LED的平均演色评价数提高,萤光粉的开发就扮演了相当重要关键,因为利用萤光粉搭配蓝光 LED所得到的模拟白光LED,在波长上对于红色和绿色的显现能力较为薄弱,所以也有业者开始开法利用紫外光LED搭配RGB萤光粉。但是这样的作法还是 有其复杂性的,因为并不能将各个颜色萤光粉单纯的混合,因为如何达到接近自然白光的输出就是一个难题。不过有关发光特性均匀性,一般认为只需要改善白光 LED的萤光粉材料浓度均匀性,与萤光粉的制作技术,应该可以克服上述困扰。

就技术上,如果蓝光LED芯片的光输出效率如果达到360mW,配合高阶技术的封装能力,获得100lm/W的白光输出并不困难,以今天的技术而言 不是困难的课题,例如包括Cree、日亚等等的业者在2006年已开发出高亮度的蓝光LED芯片。紧接著之后的如何降低外部量子效率的损耗便是考验者封装 业者的能力。

但是在提高电流输入的同时,所带来的热效应,就不得不严谨的面对了,因为必须设法减少热阻抗、改善散热等等问题,目前的做法包括了:降低芯片的热阻抗、控制模块和印刷电路板的热阻抗、提高芯片的散热性等等。

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图说:有关发光特性均匀性,一般认为只需要改善白光LED的萤光粉材料浓度均匀性,与萤光粉的制作技术,应该可以克服。

新技术保持一定接点温度

一般而言,能够产生白光的LED,是封装中利用蓝光LED芯片,配合在LED周围填入混合萤光粉而产生白光,对于从蓝光LED芯片所发出的热,则是 被热槽和簧片架等吸收,使封装内部不至于充满热效能,但是大多用来封装的环氧树脂因为抗热性较差,所以往往在LED芯片本身的寿命耗尽之前,环氧树脂就会 出现变色的现象,使得LED模块的寿命因此而减低。由于矽树脂耐热性高,即使在摄氏150度 180度的情况下也不会出现变色,所以已经有许多业者逐渐采用矽树脂,逐渐取代环氧树脂来作为封装材料。此外在白光LED的散热结构设计部分,为了达到改 善的目标,有的业者采取增加金属片厚度、不透过绝缘层而直接散热等等的结构,来提高散热能力。目前已有将将LED芯片放置在,利用铜与陶瓷材料制成的散热 鳍片表面,再将热能导入印刷电路板上的散热结构,这样的做法可以降低9K/W的热阻抗,在输入2W的电能时,芯片中接合温度最高不会超过摄氏800度。

量测标准现身缩短背光模块开发时间

其实今天所有能够考量到的技术问题,为了能使白光LED能够更为广泛的被应用,全球各大业者无不深入开发相关的技术,来降低成本以及提高效率值。但 是,对于白光LED而言,包括背光等等因为有著太多的广泛应用,市场也期待著能有标准的规范来定义出白光LED的效能。单纯的说,如果能有白光LED的量 测标准,对于背光业者而言无疑是一项大好的消息,因为在今天,液晶面板背光模块业者在采用白光LED时最大的困扰在于白光LED的选用,一旦这样的量测标 准被定义且实施之后,液晶面板背光模块业者,便能够更简单的选用LED,以及依照规范开发出合适的背光模块,大幅度的缩减开发时间。

事实上这样的期待,已指日可待。包括日本照明学会、日本照明委员会、日本照明器具工业会,以及日本电球工业会从2004年底开始,共同联手制定白光 LED的量测标准,来规范出白光LED的各项标准,这些单位的构想是,不仅仅是白光LED芯片,甚至连白光照明都可以依照这样的规范来进行。

这个规范不只定义了LED芯片与模块的结构,甚至在一定色温下所能表现的可视光的范围都有详尽的定义,并且要求在发光光谱以及配光特性等等的方面, 都必须满足均一性,也就是说在正负5度的角度范围之内,光度变化不能超过正负5%,以及色座标的变化也必须正负0.003之内,才能被称为符合规范标准。

规范提供两种电压测量方式

由于这次的专题报导,是偏重于白光的LED驱动,所以下面就针对规范中所提及关于白光LED驱动的部分进行说明。在规范中,包括LED的寿命、输入 电流、输入电压、消耗电力等等,都做了相当清楚的定义。就基本的特性上,LED与一般的逻辑芯片并不相同,所以在电极面积上无法确保广泛的程度,再加上串 联电阻值和电位不均匀分布等等,因此顺向电压就会随著温度高低而产生变化。所以在规范中定义了,在进行量测时,周围温度的变动幅度必须在摄氏2度之内,并 且不能有气流效应,也就是风场的存在,来确保进行量测时,白光LED的色再现性与稳定性。对于白光LED的驱动,规范中提供了大阻抗限制电流驱动,以及定 电流源驱动两种直流驱动量测的方式。针对白光LED因为先天的电位不均匀分布,以及温度等等因素,造成顺向电压变化,可以利用大阻抗值与高电源电压,来控 制电流所带来的发光变化,而定电流源驱动的部分,则是让内部阻抗变成无限大,避免顺向电压出现变动。但是,如果是较高功率的白光LED的话,就必须采用定 电流源驱动,因为如果采用限制电流驱动的话,会造成供给电压过高,以及大串联电阻功率值的情况。

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图说:在进行量测时,周围温度的变动幅度必须在摄氏2度之内,并且不能有气流效应。

关于详细的量测规范与说明,日本电球协会已经发表了用白光LED测光方法通则,有兴趣的读者可以连上日本电球协会网站寻找,通则的售价约为700块台币左右。

背光模块应该可以说是正式进入LED的时代,虽然目前还有许多技术问题有待克服,不过在画质与颜色更加艳丽与细腻的要求下,相信LED会逐渐取代冷 阴极灯管的使用,因为色温3000~9300K表现范围的家用液晶电视,更可以藉由LED背光模块的色再现特性,来达到高画质的表现。


完善的设计LED驱动电路 避免元件与系统损害 前言:高亮度LED再跨入成为液晶面板背光光源之后,高亮度LED的话题性热度,瞬间被市场提升,高亮度LED也从传统担任显示的角色转变成为光源提供者,来取代传统的冷阴极管。

一般而言,绝大多数的中小尺寸面板,都是利用3~10颗的白光LED,采用串连的方式来作为背光光源,甚至于手机或PDA的键盘背光也多是利用LED作为辅助照明之用,再加上欧盟对于无汞化的要求,因此对于更新一代的LED的驱动芯片和技术,也就相当地被市场所期待。

由于传统的冷阴极管是利用交流驱动,所以在整个的驱动线路较为复杂,并且需要INVERTER(反向器),将产品机构中所使用的直流电,转换成高压 交流电来驱动,所以,在低耗电、电路简单化、演色要求下,在中小面板的部分,采用白光LED来作为背光源已经相当普及了,并且白光LED除了有体积小、高 亮度的优点外,驱动电路也较冷阴极管简单。在多色LED电路驱动设计部分,大部分都是利用场序交互点灯的驱动方式,藉此得以形成所谓的「Field Sequence」。好处是,可以让多色LED与液晶面板的Sub-Pixel、彩色滤光片来达到同步,达到更广的色彩表现范围,不过就整体结构的部分, 需要搭配多色LED重新设计,因为包括,导光板、色转换电路等等,传统的部分元件都需要重新开发,虽然原件的材料上没有太大不同,但是结构上却需要配合 LED的点光源特性重新设计。

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图说:由于传统的冷阴极管是利用交流驱动,所以在整个的驱动线路较为复杂,并且需要INVERTER,将产品机构中所使用的直流电,转换成高压交流电来驱动。

依需求发展出多元化的驱动方式

对于驱动白光LED来说,电路本身需要供给白光LED固定的电压或固定的电流,而当可携式产品开始运作后,就会产生电压下降的现象,因而需要升压元 件来进行升压、稳压。大部分的电路设计多采用电容来维持稳压,这是考虑到避免升压零件工作时,对于射频带来一些影响,所以,就整体的电路来说,稳压设计是 相当重要的设计,来提供白光LED驱动所需要稳定电压电流,而就对于白光LED驱动的部分,在本身的电路设计上,也发展出多元化的驱动方式,保护相关元件 以及提供所需的亮度。

因为LED的特性是利用电流来驱动的特性,所以LED的亮度表现与顺向电流有等比的依存关系,所以对于LED亮度的调整就必须有效的控制顺向电流变化,目前可以利用调整电流检测电阻,以及整流电阻来达到控制顺向电流。

采用整流电阻的目的是确保顺向电流都能够流向LED芯片,不过这样的做法会因为顺向电压的改变,影响顺向电流的强弱,会造成顺向电压的改变有很多因素,例如温度等等,这些都会使得LED亮度受到影响,产生功耗的浪费以及缩短电池的寿命。

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图说:LED的特性是利用电流来驱动的特性,所以LED的亮度表现与顺向电流有等比的依存关系。

然而采用整电流检测电阻来确保顺向电流变化的做法,相较之下是比较好的,因为使用电流检测电阻可以确保流向LED的顺向电流,也因此可以消除顺向电 压变化所带来的影响,如果期望改变LED顺向电流的话,只需调整电流检测电阻即可,不需要对整个输入电源进行改变。另一个好处是,如果驱动多个LED时, 只需要将多个LED进行串联,因为电流检测电阻的作用关系,因此也可以确保流入每个LED的电流都是固定的,但是这样的做法对于并联的LED,并不适当, 因为必须在每个并联的LED中安置一个电流检测电阻,当然缺点就是成本会因此而增加,并且效率也会大打折扣,当然也会影响电池的使用寿命。

所以事实上,设计完善的LED驱动电路,不仅仅是确保LED的亮度能够维持,更重要的是能够保护电池的使用寿命,来增加可携式产品在无来电源情况下 的使用时间。另外还有一点是相当重要的,因为一般都是利用输出功率除以输入功率,来判定电源效率,但是对于LED驱动而言,在期望获得亮度的情况下来定义 输入功率,所以并不能采用输出功率除以输入功率的方式,而是必须将LED功率除以输入功率,所得到的结果才是正确的效率测量。

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图说:LED的特性是利用电流来驱动的特性,所以LED的亮度表现与顺向电流有等比的依存关系。

利用传统类比与PWM方式进行调光

大多数的可携式产品,对于面板的背光都设计有调光功能,也就是说,在有无交流供电、待机模式等等的情况下,都会对背光的亮度进行调整,来减少耗电, 延长电池的使用时间,目前有PWM或者类比(电压调整法)等两种的方式来对白光LED进行电流的控制与驱动,达到点灭控制、多段式亮度等等。

类比的电压调整方法,就是单纯的改变输入电流,也就是说,所改变的输入电流比例也就直接地影响白光LED的明暗,这样的方式如果对于电流量的操控不 够精准的话,些许的电压变化会造成输入电流产生变动,而使得白光LED难以达到所预期的亮度,但是如果要能够精确的让白光LED产生期望亮度的话,那么就 需要相当复杂的电路设计,此外因为过大的电流,这会使得设计困难度与成本都大幅度的增加,此外还会对白光LED的波长产生影响,出现LED颜色偏移,一般 而言使用,类比电压调整方式的情况不大多见,所以目前大多是利用PWM的方式来进行调光。PWM是利用改变白光LED的Duty Cycle,改变周期百分比、频率来进行控制亮度,因此利用PWM调光可以达到相当精细的调整,不过,采用PWM方式的话,必须将工作频率提高到 100Hz,因为如果低于100Hz的话,就会被眼睛察觉出PWM的脉冲现象,因此电源启动与回应时间是关键的条件。

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图说:PWM是利用改变白光LED的Duty Cycle,改变周期百分比、频率来进行控制亮度,因此利用PWM调光可以达到相当精细的调整。

降压式驱动与升压式驱动各有优缺

利用PWM调光的方式,有两种类型,包括升压式和降压式,一般而言较多人使用升压式的驱动设计,这也意味著可以利用低于3V的电源来驱动白光LED,达到减少由电池所占据的体积,完成轻薄的产品设计。

采用升压驱动方式的好处是,如果FET毁损不会导致LED也被烧毁、输入电流的滤波比较简单、可以简化LED电流的侦测、简化PWM调光控制负担, 根据业者的评估,升压电路的效率可以高达90%左右。但是也是有缺点,升压式的驱动设计,由于本身并不具有固定电流功能,如果当电压超过限值时,有可能会 对LED或者电路中其它元件造成损毁。

目前,升压电路可以利用2种模式来完成:连续导通模式,以及不连续导通模式。这2种模式都是利用电感电流的波形来决定。连续导通模式是用在,输入电 流大于1安培时,输出电压与输入电压比值小于或等于6,如果需要更大的输出电压与输入电压比就必须采用不连续导通模式,不过不连续导通模式产生较大的电 流,有可能造成电感的毁损,也会让均方根电流增加,因此两者相较之下,不连续导通模式的效率较低。

而至于降压式的驱动设计,也有工程设计师偏爱使用,降压驱动的优点是,结构比较简单,并且成本也不至于太高,不过部分设计不佳的降压驱动芯片解决方 案,当面对驱动电压较高时,会产生较大的功耗,使得电池的使用寿命减少,并且会产生高热的情况。所以,目前有业者开始开发具有固定电流功能的降压白光 LED驱动芯片,避免因为驱动电路出现问题时,过高的电流造成LED损毁。

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图说:PWM是利用改变白光LED的Duty Cycle,改变周期百分比、频率来进行控制亮度,因此利用PWM调光可以达到相当精细的调整。

过压保护延长电池的使用寿命

就如前述,对于白光LED驱动而言,最佳的状况是电源电路能够提供稳定的电压以及电流,来驱动白光LED,但是在电路的运作过程中,难免都会出现突 波现象,如果负载电阻增大,相对的电源的输出电压也必须随之增加,所以对于利用固定电流驱动的白光LED,就必须设计出过压的保护措施,在出现过大负载 时,也都能维持固定的电流提供LED驱动。目前提供过压保护这一方面,可以利用稳压二极管与LED进行并联,这样可以将电压维持在稳压二极管最大承受范围 之内,当出现电压高于稳压二极管击穿点的过压的现象时,可以让电压流到电流检测电阻,藉此保护白光LED元件,所以利用稳压二极管和白光LED元件并联的 方式可以确保流入白光LED的电压电流值都在固定的状态。此外也有设计者利用监控的方式来维持电源的稳定,透过监控机制的管理,当出现电源过压的情况时, 立即关闭电源,来保护白光LED元件,并且可以延长电池的使用寿命。

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图说:利用稳压二极管与LED进行并联,这样可以将电压维持在稳压二极管最大承受范围之内。

断电机制经常被工程师所遗忘

断电机制也是LED驱动电路设计中,需要考量的机制之一,不过却会被工程师遗忘,而产生缩短产品使用寿命的情况。

因为在电压转换器断电期间,还是会出现负载经由电感以及二极管连接著输入电压,这是由于输入电压与LED处于连接的状态下,即使是电源不再供应,但 是还是会产生些许的电流,如此处在经常都是如此状况下的话,那么漏电流就会对电池带来影响,使得电池的使用寿命大幅缩短。因此负载断开的设计,对于整体的 电路来说,还是有存在的必要性。

另外,如果没有负载断开机制的话,还会对PWM调光的部分带来影响,因为当电源不提供电流时,输出电容还是会和白光LED连接著,所以,电力仍旧会 慢慢地流向白光LED,当电源被打开,PWM调光机制重新运作的时候,电容在每个PWM循环开始时,都会产生放电的现象,并且将输出电容充电,因此当每个 PWM循环开始时,就会出现突波脉冲,如果此时过压保护机制设计不佳的话,那么就会直接对白光LED造成程度不一的伤害。此外,突波脉冲更会使得整个的系 统效能下滑。所以,在电源电路中加入断电机制时,LED就会与电源隔绝,当电源不再提供电力时,就不会出现漏电流的现象,并且PWM进行重新运作时,因为 电容都是充满电力的情况,也不至于突波脉冲。

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图说:当电源不提供电流时,输出电容还是会和白光LED连接著,所以,电力仍旧会慢慢地流向白光LED。

完善的设计驱动电路来保护电路

目前,全球各大解决方案业者,都积极开发结构更加完整、背光效率更高的白光LED驱动电路,提供工程设计师更简化的设计,以及更完善的电路保护,对 于白光LED驱动来说,无论是采用那种驱动方式,最重要的还是能够完善的设计驱动电路,来保护电路中的各项元件,以避免不必要的突波或增加无谓的功耗,且 可提高可携式产品以及电池的使用寿命与时间。

责任编辑: banye 参与评论
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