1、一种液晶显示器的 LED 背光驱动控制设计方案时间：2011-09-27 浏览 106 次 【字体：大 中 小】 我来说两句摘要： 本文介绍了一种液晶显示器的 led 背光驱动控制设计方案，对电路的整体控制、各项功能的实现、各性能参数的详细计算方法以及电路的具体设计等一一进行了阐述，并给出了相关的控制框图和时序图，配合灵活的 FPGA 的软件编程以及恰当的 LED 灯组布局，可以实现良好的 LED 背光驱动控制。相对传统的 CCFL 液晶显示器背光源存在色阶差、色纯度低、需高压驱动导致功耗大、屏厚度大等缺点而言，LED 背光源以其功耗低、寿命长、更环保、屏厚度低等优点在民用和军用显示产品上得到
2、更多应用。尤其是它超强的色彩表现力更是 CCFL 背光源远不及的， 其色彩饱和度达到甚至超过 Adobe RGB 和NTSC 色彩标准要求， 可以达到 NTSC ratio100%以上平面光源特性， 而 CCFL 背光只能实现 NTSC 色彩区域的 78%。另外，LED 的高刷新频率使其在视频方面有更好的性能表现，LED 显示屏的单个元素反应速度是 CCFL 背光液晶屏的 1 000 倍，即使是在强光下也可以照看不误，并且适应零下 40 的低温。随着 LED 背光源越来越广泛地应用，其驱动电路的良好设计也就显得格外重要。对于普通的小型液晶显示器而言，通常只要几个 LED 灯便可满足其显示要求，
3、因此对驱动电路的要求也较低。对于中大型液晶显示器而言，常需要几十、上百个的 LED 灯，对电路驱动能力的设计要求就更高。笔者介绍的基于LT3599 LED 背光源驱动控制电路， 可以适用于中大型液晶显示器（同样也可适用于小型液晶屏背光源的驱动）。此电路经测试和试验验证，能满足各种常规中大型液晶显示器的背光驱动控制电路的要求。1 LT3599 简介LT3599 是一款真彩色 PWM 脉宽调控的 DC/DC 转换器，它的占空比高达 3 000:1， 带有 4 路 LED 驱动， 每路可驱动 120 mA 电流，且每路的电流大小均可编程控制和独立开关。它能适应 3.1 V30 VDC 的宽输入电压范
4、围， 输出电压高达 44 VDC，开关频率范围为 200 kHz2.1 MHz，同步时钟的选择灵活即可接外部时钟也可用自带同步时钟。LT3599 带过压、欠压、过流、过热、抗较大浪涌电流、输出短路或开环保护等完善的保护功能，是一款安全可靠的集成控制芯片。2 电路的总体设计整个驱动控制电路的整体构成框图如图 1 所示，由多路电源输出模块、LT3599 控制模块、FPGA 可编程 PWM 脉宽控制模块、LED 灯组模块组成。LT3599 内部是升压电路， 将输入的电压在 FPGA 模块的控制下转换成 LED 灯组所需的稳定电流和电压，从而实现亮度、对比度调节，提供给液晶屏稳定均匀的背光源。图 1
5、驱动控制电路系统框图2.1 多路电源输出模块的设计设计时选用了日本 COSEL 公司的 CBS502424、CBS502403 集成电源块，设计成可调稳压电路。外部电源只有一路（+28VDC）输入，经内部的整流、滤波、电压转换和稳压处理后，转换输出给 FPGA 模块以及LT3599 控制模块所需要的+5VDC、+3.3 V 和+24 VDC 等多路电压。2.2 LT3599 控制模块的设计LT3599 有 2 种封装：28 个管脚的封装和 32 个管脚的封装，其中 32 个管脚的封装是热控增强型封装，对于高亮及中大型液晶屏来说， 选择 32 个管脚的热控增强型封装设计电路更稳定可靠。其典型控制
6、电路如图 2 所示。图 2 LT3599 典型应用电路2.2.1 输出 LED 驱动电流大小的设计LT3599 有 4 路 LED 电流输出通道， 每路输出的电流大小在 30120 mA 之间， 具体通过设置 ISET管脚所接电阻 RISET 值大小来控制， 此 RISET 电阻值范围在 1144.2 k 之间，RISET 值与 LED 驱动电流大小的具体计算方法为：LT3599 通过 PWM 脉宽调控来改变其输出给的 LED 电流值大小，从而改变 LED 的亮度，实现对液晶显示器亮度和对比度的调节。PWM 脉宽与 LED 电流的关系曲线图如图 3 所示。图 3 PWM 脉宽时序与 LED 电
7、流关系图2.2.2 开关频率的设计LT3599 有很宽的工作开关频率，在 200 kHz2.1 MHz 之间，具体由管脚 RT 所接电阻值的大小来决定，RT 值与开关频率大小的关系图如图 4 所示。4）LT3599 内部的同步时钟频率在 240 kHz1.5 MHz 之间，对于启用了 LT3599 内部 SYNC 同步时钟频率的电路，电路的开关频率设计时需低于 LT3599 内部同步频率的 20%，否则会导致电路工作不稳定。2.2.3 输出 LED 所需电压的设计LT3599 输出电压的大小通过设置电阻 R10、R11 的值来确定，计算公式为：为了确保电路长期使用的可靠性和输出效率，设计时输出
8、电压值一般要高于 LED 所需电压的 10%。为了减少输出纹波， 在 LT3599 电压输出端需还接一个 4.710 F 的电容。另外需注意，Vout 管脚处所接肖特基稳压管允许通过的平均电流需大于 LED 驱动电流，此肖特基稳压管的最大反向电压还需大于 LT3599 输出电压 Vout。2.2.4 保护电路的设计1）过压保护的设计：通过 FB 管脚设计电压反馈环路从而实现过压保护功能。FB 脚参考电压为1.233 V， 具体的保护电路设计如图 5 所示。图 5 用 FB 管脚设计过压保护电路2）热保护电路的设计：用 VREF、TSET 管脚设计热保护电路。预先设定一个 LT3599 内部极限
9、保护温度，当 LT3599 芯片温度超过这个值时 LT3599 输出给 LED 灯的电流就自动降低，从而使芯片的温度慢慢降低。LT3599 内部设定给 VREF 的参考电压时 1.227 V，VREF最大输出 100 A 电流。具体的电路设计如图 6 所示，LT3599 内部最大控制节点的温度值与电阻R1、R2 的选择对应关系如表 1 所示。图 6 用 TSET 管脚设计温度保护电路表 1 LT3599 芯片内部最大节点控制温度与电阻 R1、R2 的对应关系3）欠压保护电路的设计：通过 管脚设计欠压保护电路。为了避免电路在超低电压下工作导致出现不稳定状况，当此管脚电压低于 1.4 V 时 LT
10、3599 会自锁。LT3599 的关断电压和接通电压可分别通过式（3）和式（4）计算而得： 当 管脚电压低于 1.4 V 或者 VIN 管脚电压低于 2.7 V 时，欠压保护就会关闭整个LT3599 电路，避免电路工作在不稳定状态。具体的电路设计如图 7 所示。图 7 欠压自锁控制电路4）FPGA 模块通过 SS 管脚设计软启动开关锁，避免当电路由关断或自锁状态恢复正常工作时，受到较大的瞬时浪涌电流或过冲电压的影响。采用软启动来恢复工作时，电路的开关频率会自动降低，以保护电路免受大电流损坏。当 VIN2.7 V、 1.4 V、PWM1 V、SS0.25 V” 这 4 个条件同时具备后，由 SS
11、 管脚设置的软启动锁才会解开，此时内部输出 11 A 的电流来控制恢复过程中的电流和电压上升速率。上升速率的快慢与 SS 管脚所接电容 Css 容量大小有关，具体可由式（5）计算可知，其中 Iss 典型值为 11 A。通过 SS 管脚设置软启动开关锁的控制时序图如图 8 所示。图 8 软开关控制启动时序图2.3 FPGA 可编程控制模块的设计FPGA 采用的是高速串行接口通讯， 和传统的并行接口相比，串行通讯能提供更大的带宽、更远的距离、更低的成本和更高的扩展能力。在设计 FPGA 对 LT3599 的控制功能时，充分利用其内部可进行灵活设计的特性。首先检测视屏驱动板输出给显示屏的视频信号，识
12、别出非标准信号，必要时 FPGA 内部产生标准视屏信号，然后对行场同步信号进行数字滤波、时钟锁相，解决因长距离传输导致信号出现衰减失真以及电磁干扰等现象，再将 RGB 信号按照预定的曲线进行 Gamma 和对比度调节。在进行视屏信号检测时， 用板卡上的系统时钟对输入 HS、VS 等信号的上升沿或下降沿进行计数，如果在设定时间内检测到边沿次数大于某一个限值则表示有信号输入，否则为无信号输入。这种方法输入信号的格式范围宽、可实现性强。在进行 Gamma、对比度调节时，FPGA 采用的是通过 PC 机查表方式，即对每一个输入给出一个确切的输出值，此值预先根据一定的算法计算好、使用 C 语言程序编程设
13、定，然后将相关数据加到 FPGA 工程代码中。通过预先设定好的通信方式， 在需要进行调整时， 将要调整到的信息发送给 FPGA，FPGA 根据设定好的等级选择输出不同的值， 以完成相应的调整功能。数字滤波采用的是对 FPGA 内部的电平调节的方式，因为 HS、VS 等信号上出现的不正常电磁干扰信号一般脉宽很窄，而 HS、VS、DE 的脉宽较宽，因此，只要能够消除非正常脉冲，就可以保证画面稳定正常显示。关于数字滤波解决 EMC 电磁干扰的时序图如图 9 所示。图 9 数字滤波时序图2.4 LED 灯组由于 LED 的亮度是由通过其内部的电流决定的，因此进行 LED 灯布局时， 一方面要考虑到整个
14、液晶屏的亮度均匀性，另一方面要减小电路微小电压波动给 LED 灯亮度带来的影响。对于普通中小尺寸的液晶屏，由于背光源大都用的是侧光式，LED 灯组可采用串联和并联相结合的方式。对于大尺寸液晶屏来说背光源一般采用直下式，为了提高亮度均匀性、减轻显示器重量，LED 灯组还可采用正三角阵列布局，能更好地实现对 LED 灯的保护且提高亮度的均匀性。3 结束语本文所介绍的 LED 背光驱动电路， 其电路效率可达 90%以上。该电路设计上各相关参数都可以精确计算和控制，电路的保护措施齐全、控制效果好、抗干扰能力强，并且可以根据所需背光亮度和屏的大小灵活组合使用。经试验以及使用测试验证，是一款较理想的驱动控制电路。图 4 开关频率与管脚 RT 所接电阻值关系曲线图要想设计出最适合的电路开关频率，需综合考虑几个方面：1）开关频率越高则电感值越小，高频开关损耗也就越小；2）对于低压驱动多个 LED 灯的情况，需尽量设置低的开关频率；3）设计时需考虑总电压功率的损耗。
