液晶顯示器(LCD)的背光板對(duì)電力消耗、影像畫(huà)質(zhì)以及面板壽命都有相當(dāng)大的影響，雖然發(fā)光二極管(LED)背光數(shù)組已經(jīng)在這些方面有所改善，但若需要穩(wěn)定的光度輸出、均衡色彩，以及更佳散熱等傳統(tǒng)限流電阻無(wú)法達(dá)到的功能，就須導(dǎo)入強(qiáng)化的LED電流控制技術(shù)。本文提出一種“時(shí)間延遲滯后式電流控制(Time Delay Hysteretic Current Control)”的新技術(shù)，同時(shí)具備精確與高彈性，并能夠以單一芯片實(shí)現(xiàn)高達(dá)5瓦(W)與1.5安培(A)的LED控制。

平面顯示器在許多情況下須要支持多重運(yùn)作模式 、數(shù)據(jù)顯示、高分辨率圖像、全動(dòng)態(tài)視頻或高畫(huà)質(zhì)影像等，最近由Lumileds所提出的分析報(bào)告指出，不同的模式需要不同的背光特性來(lái)提供最佳的影像畫(huà)質(zhì)，例如當(dāng)執(zhí)行個(gè)人計(jì)算機(jī)Windows應(yīng)用程序時(shí)，背光的最佳色溫大約在9,600K，而播放電影時(shí)則最好采用大約在6,500K范圍的色溫?zé)艄?，相?duì)于傳統(tǒng)的冷陰極燈管(CCFL)，采用LED數(shù)組可以更容易地進(jìn)行背光特性的控制以及最佳化，除此之外，LED也帶來(lái)更低的耗電、發(fā)熱以及更長(zhǎng)的壽命，同時(shí)由于不須使用變頻器，更可簡(jiǎn)化電路設(shè)計(jì)并降低噪聲。

LCD面板所采用的LED背光透過(guò)使用紅、綠與藍(lán)光LED高效率地耦合到導(dǎo)光板上來(lái)產(chǎn)生白色背光，調(diào)整各個(gè)不同顏色的輸出可以讓設(shè)計(jì)工程師精確控制背光的特性，帶來(lái)更豐富的色彩輸出并取得色溫、波長(zhǎng)與發(fā)光的更佳控制，更可以利用這個(gè)彈性提供更生動(dòng)的顯示輸出來(lái)強(qiáng)化使用體驗(yàn)。

高亮度LED背光的電源要求

由于每顆LED所發(fā)出的亮度以及色彩直接與流經(jīng)LED本身的電流相關(guān)，因此要發(fā)揮LED背光的完整優(yōu)勢(shì)，就須要進(jìn)行電流的精密控制，然而，這對(duì)傳統(tǒng)使用限流電阻的方式來(lái)說(shuō)，不容易達(dá)成，特別是背光應(yīng)用中所使用的高亮度LED在正向壓降上有很大的差異，例如Lumileds公司Luxeon III的數(shù)據(jù)規(guī)格書(shū)上顯示，額定為3.70伏特(V)的正向電壓可能會(huì)在3.03～4.47伏特間變化，此外溫度也會(huì)造成影響，例如相同產(chǎn)品的正向電壓溫度系數(shù)為-2mV/℃。

當(dāng)考慮采用Luxeon DCC數(shù)組做為L(zhǎng)CD背光應(yīng)用的情況下，每個(gè)數(shù)組由1或多串以各自顏色串接的Luxeon LED所組成，其中一個(gè)型號(hào)為L(zhǎng)XHL MGEA的產(chǎn)品就是由兩串以5顆紅光LED、兩串以及11顆綠光LED及兩串以4顆藍(lán)光LED的組合所組成。電源的要求以能夠提供紅、綠與藍(lán)光LED串各個(gè)獨(dú)立通道定電流，并且能夠調(diào)整到最佳光度輸出特性，同時(shí)滿(mǎn)足各LED串最大正向電壓規(guī)格要求為目標(biāo)，以L(fǎng)XHL MGEA數(shù)組中的綠色LED串為例，這代表總線(xiàn)電壓(VBus)要求最小要有40.5伏特加上安全的富裕空間。

如果這類(lèi)LED串的電流只透過(guò)一顆電阻來(lái)控制，那么在生產(chǎn)時(shí)正向電壓的差異以及因溫度所引起的變化將對(duì)運(yùn)作效率帶來(lái)影響，甚至造成LED背光的誤動(dòng)作。以由額定正向電壓在3.7伏特的6顆高亮度LED串為例，在24VDC總線(xiàn)電源下透過(guò)2.57Ω電阻穩(wěn)壓，將消耗750毫安的電流，整體運(yùn)作效率為92.5%，不過(guò)如果LED是在正向電壓最低的情況下發(fā)光，那么電流將提升到2.4安培，效率則下滑到76%，反之在最高正向電壓下，高亮度LED串的整體壓降將高于總線(xiàn)電壓，因此造成高亮度LED無(wú)法發(fā)光。

定電流控制降低輸出電流變化

一個(gè)較高效率且精確的解決方案是采用高電壓直流轉(zhuǎn)直流(DC/DC)降壓型轉(zhuǎn)換器，包含一個(gè)連接總線(xiàn)電源(Vbus)與高亮度LED的高電壓端開(kāi)關(guān)或金屬氧化半導(dǎo)體場(chǎng)效晶體管及高亮度LED與接地間的感測(cè)電阻，這須在高電壓端加入浮動(dòng)開(kāi)關(guān)的組態(tài)，以便直接持續(xù)監(jiān)控負(fù)載電流并加以調(diào)整。

在正常運(yùn)作情況下，輸出電流透過(guò)IFB接腳上的回授電壓來(lái)加以調(diào)整，通常為0.5伏特，當(dāng)VIFB低于參考電壓(VIFBTH)時(shí)，高電壓端MOSFET導(dǎo)通，高亮度LED由直流總線(xiàn)供電，同時(shí)在IFB接腳電壓上升過(guò)程將能量?jī)?chǔ)存在LC諧振電路中，當(dāng)IFB接腳上的電壓達(dá)到臨界值VIFBTH時(shí)，高電壓端的MOSFET便會(huì)在內(nèi)建電路的固定時(shí)間延遲后斷開(kāi)。

這時(shí)電路會(huì)開(kāi)始釋放出事先儲(chǔ)存的能量來(lái)提供高亮度LED電源，而當(dāng)IFB接腳上電壓下滑到固定臨界點(diǎn)時(shí)，MOSFET會(huì)再次導(dǎo)通，但內(nèi)建的固定電路時(shí)間延遲會(huì)讓VIFB在MOSFET實(shí)際導(dǎo)通并且讓系統(tǒng)進(jìn)行重復(fù)周期動(dòng)作前低于臨界值。

藉由此固定時(shí)間延遲的幫助，電路的持續(xù)切換動(dòng)作可以讓流經(jīng)高亮度LED的電流維持在一個(gè)可以用VIFBTH(通常為0.5伏特)和RCS感測(cè)電阻間比率計(jì)算得出的IOUT(AVG)平均電流輸出值，只要由LC所組成的輸出諧振電路可以維持IFB接腳上的低漣波(通常低于0.1伏特)即可。圖3a與圖3b描述了使用固定時(shí)間延遲滯后式電流控制可以達(dá)到的超低輸出電流變化，顯示出在總線(xiàn)電壓位于40～170伏特輸入電壓時(shí)，1,400毫安運(yùn)作下變動(dòng)在±0.3%以?xún)?nèi)，而在15～30伏特電壓下，1,400毫安輸出時(shí)的變動(dòng)更小于±0.1%。

此電路同時(shí)也限制了尖峰電流，因此可以搭配使用小型MOSFET以及小型電感，提供精準(zhǔn)且多樣性的高效率控制解決方案，讓設(shè)計(jì)工程師可利用新一代高亮度LED背光技術(shù)強(qiáng)化LCD顯示質(zhì)量。

值得注意的是，此方法同時(shí)也免除固定頻率振蕩器的需求，因?yàn)樾酒瑫?huì)持續(xù)將負(fù)載電流與臨界值比較，并依結(jié)果進(jìn)行MOSFET的切換控制，頻率可以自由選擇并依LC以及輸出入電壓而定，因此此電路不僅能對(duì)生產(chǎn)時(shí)的差異與溫度飄移進(jìn)行補(bǔ)償，同時(shí)還可應(yīng)用在寬廣的輸出入電壓范圍，以及不同的高亮度LED串或數(shù)組組態(tài)上。

背光之外的高亮度LED 控制亦相當(dāng)適合

在單一芯片上實(shí)現(xiàn)連續(xù)模式時(shí)間延遲滯后式降壓型穩(wěn)壓器，為高功率LED定電流控制帶來(lái)單芯片的解決方案，以國(guó)際整流器公司的IRS2540與IRS2541為例，分別可由200伏特與600伏特的額定電源電壓運(yùn)作，不管是由直流總線(xiàn)或直接交流電供電的情況下，每個(gè)組件都能提供高功率LED串的精密電流控制，相較于傳統(tǒng)轉(zhuǎn)換器，可節(jié)省體積與成本。

該兩款組件中所采用的時(shí)間延遲滯后式電流控制，相當(dāng)適合用來(lái)控制新一代高亮度LED在各種應(yīng)用中的發(fā)光強(qiáng)度、運(yùn)作模式以及色彩等特性，而不局限在LCD面板的背光，目前市場(chǎng)上高亮度LED可以達(dá)到大約5瓦以及1.5安培的規(guī)格輸出，這將有助設(shè)計(jì)工程師將LED應(yīng)用在廣告招牌、建筑照明、裝飾照明、娛樂(lè)應(yīng)用、車(chē)用照明以及其它領(lǐng)域。