在越來越多的新興需求和綠色節(jié)能趨勢推動下，能夠提升電源能效的電源和電源管理技術(shù)的應用將快速增長，背光就是一種典型的應用需求。雖然目前液晶電視的背光源仍以傳統(tǒng)冷陰極熒光燈(CCFL)為主，但隨著全球節(jié)能環(huán)保意識的日益增強，新型發(fā)光二極管(LED)背光源已廣受關注，成為CCFL的有力競爭者。在便攜式應用方面，液晶背光LED驅(qū)動方案更需要滿足高能效" title="高能效">高能效、延長電池使用時間、減小印制電路板面積等要求。本文將結(jié)合安森美半導體的解決方案探討背光市場和應用的特點及需求。
背光應用的需求和挑戰(zhàn)
LED具有高色彩飽和度、環(huán)保耐用等優(yōu)點，已在各種中小尺寸LCD面板中大量應用，目前正逐步向筆記本電腦、液晶電視等大中型LCD背光源市場滲透。2009年液晶電視采用LED背光的比例僅為3%，在未來三四年內(nèi)，將可迅速攀升至40%至50%，為開發(fā)LED驅(qū)動器方案的廠商帶來了巨大商機。
與CCFL相比，LED背光源的色彩表現(xiàn)更具優(yōu)勢。LED采用5 V～24 V低壓驅(qū)動，非常安全，驅(qū)動電路設計較為簡單，也非常節(jié)電。LED不使用對環(huán)境有害的汞，也就不存在汞泄漏等問題。LED技術(shù)也面臨著一些挑戰(zhàn)，如發(fā)光效率較低、成本高、價格昂貴。隨著LCD背光向多種LED技術(shù)轉(zhuǎn)移，設計工程師還要應對電源管理、熱管理和色彩管理等新的挑戰(zhàn)。
目前，汽車電子、移動設備、LCD背光、可尋址標志及通用照明等都是LED技術(shù)的潛在應用領域，其中LCD背光將成為LED技術(shù)的下一個主戰(zhàn)場。
此外，電池供電的便攜式應用功能越來越多，尺寸也越來越小巧，使得這些設備的功率需求也越來越高。采用低功率LED驅(qū)動器更有助于節(jié)省功耗，延長電池壽命，給消費者帶來更好的使用體驗。
安森美半導體的多樣化背光解決方案
1. 中大尺寸液晶電視LED背光方案
LED背光液晶電視主要有側(cè)光式" title="側(cè)光式">側(cè)光式和背光式兩種方案，其電源管理的重要要求就是提高能效;另外，由于LED背光液晶電視以超薄外型為重要賣點，其電源管理方案更要以低高度來配合纖薄設計，還要顧及散熱、降低電磁干擾、不同通道亮度匹配、調(diào)光及故障診斷和保護等問題。
(1)側(cè)光式方案：安森美半導體的高性價比多通道線性LED側(cè)光式方案在半橋轉(zhuǎn)換段采用NCP1397初級側(cè)控制器和500 V高壓MOSFET NDF05N50，以及6通道線性LED驅(qū)動器CAT4026。CAT4026是用于大尺寸側(cè)光式LED背光液晶電視的高性價比多通道線性LED驅(qū)動器，可以單顆IC支持6個通道，易于分級為多達12個或18個通道(相應采用2個或3個控制器)，目標能效高于90%，典型能效達94%;提供<±2%的極佳電流匹配精度及<1%的400 Hz PWM調(diào)光范圍，并采用外部功率雙極結(jié)晶體管實現(xiàn)更好的散熱。
該方案由LED背光轉(zhuǎn)換器(NCP1397等)和LED控制器(CAT4026等)組成(見圖1)，支持低高度LED背光液晶電視設計，電路板上高度低于8 mm，總高度低于12.5 mm，還可以優(yōu)化處理寬范圍調(diào)光、散熱、故障保護等，使電源設計挑戰(zhàn)迎刃而解。
圖1：大屏幕LED背光液晶電視側(cè)光式方案(黃色背景部分)
(2)直下式方案：除了側(cè)光式方案，安森美半導體還提供基于NCP1397、NDF05N50和NCP1034的直下式降壓驅(qū)動方案。NCP1034采用高達500 kHz的可編程開關頻率驅(qū)動一對外部N溝道MOSFET，能夠靈活調(diào)節(jié)集成電路的工作，以符合系統(tǒng)級要求。另外，內(nèi)部1.25 V參考電壓可以對輸出電壓精密穩(wěn)壓，用于低壓應用。該器件具有預防電氣故障的保護特性，如欠壓鎖定和斷續(xù)(hiccup)電流限制，在發(fā)生故障時可提供系統(tǒng)級安全性。其優(yōu)勢包括驅(qū)動高能效場效應管(FET)及為1顆或多顆器件提供固定頻率。
安森美半導體還為LED背光液晶電視提供了更多一站式方案，包括功率因數(shù)校正(PFC)、待機開關電源，以及相關的整流器、運算放大器、MOSFET及分立器件等。
2. 便攜式設備LED背光方案
對便攜式電子設備設計人員來說，高效能和小尺寸通常是最優(yōu)先考慮的因素。安森美半導體推出了各種為便攜式設備優(yōu)化的LED背光方案，如用于扣式電池供電設備的低功率LED背光驅(qū)動器" title="背光驅(qū)動器">背光驅(qū)動器，以及用于手機和數(shù)碼相機等的LED背光驅(qū)動器，以配合客戶在獲得小尺寸設計的同時延長電池使用時間，推出符合用戶需求的創(chuàng)新產(chǎn)品。
(1)鈕扣式電池供電設備LED背光驅(qū)動器：越來越多的創(chuàng)新型便攜設備采用了鈕扣式電池，如血糖儀、數(shù)字體溫計、血氧計、呼吸分析儀和生理監(jiān)測儀等。由于這種電池的獨特特性以及需要長工作壽命，這些緊湊型應用需要定制的LED驅(qū)動器，不僅要管理背光，還要監(jiān)測電池電量。
這類應用可采用安森美半導體新的CAT3661單LED驅(qū)動器，圖3是其應用電路圖。該器件采用安森美半導體專利的四模(Quad Mode)電荷泵" title="電荷泵">電荷泵架構(gòu)，能效高達92%，靜態(tài)電流低至150 μA，提供可調(diào)節(jié)的低電池電量檢測、強固的LED故障監(jiān)測、軟啟動和短路限制等功能，采用低高度3 x 3 mm TQFN-16封裝，非常適合這類應用。
圖3：為鈕扣式電池供電設備優(yōu)化的CAT3661 LED驅(qū)動器應用電路圖
新元件提供了低噪聲輸入汶波和恒定開關頻率，使用小尺寸外部陶瓷電容，進一步節(jié)省空間及系統(tǒng)總成本。四模電荷泵支持2～2.5 V的寬輸入電壓，峰值效能水平比傳統(tǒng)高效能1.5x三模電荷泵高10%。該元件滿載時在所有工作模式下的典型靜態(tài)電流僅為150 μA，具備零電流關閉，可降低能耗，確保延長電池使用時間。
(2)手機和數(shù)碼相機等LED背光驅(qū)動器：安森美半導體提供線性、電感型和電荷泵型等不同拓撲的LED驅(qū)動器，用于手機和數(shù)碼相機等便攜產(chǎn)品。這些驅(qū)動方案具有高能效，可延長電池使用時間，減小印制電路板面積和高度，實現(xiàn)纖薄造型。具體而言，線性方案適合色彩指示器和簡單的背光應用，電感型方案能效最佳，電荷泵方案占板面積和高度極小，適合不同應用。
便攜產(chǎn)品要顯示高分辨率照片、影片或網(wǎng)頁，獲得良好的用戶體驗，就要采用較大尺寸的LCD屏幕，需要更多的LED背光。驅(qū)動更多LED需要消耗更高功率，安森美半導體的NCP5021和NCP5890新穎驅(qū)動器集成了環(huán)境光感測功能，根據(jù)模擬環(huán)境光傳感器的輸入自動調(diào)節(jié)背光電流，使屏幕亮度與環(huán)境光匹配，節(jié)省電池電量。圖4是采用NCP5890的多個白光LED應用電路圖。
圖4：采用NCP5890的多個白光LED應用電路圖
NCP5890是一款獨特的照明管理器，在極小封裝中集成了LCD背光、裝飾光控制和環(huán)境光感測功能。該器件輸出電壓為30 V，可管理多達8個串聯(lián)LED，實現(xiàn)LCD屏幕的均衡背光。該器件還可控制三組白光LED或RGB LED，在鍵盤或底盤上營造出裝飾光圖案。NCP5890是緊湊型智能手機和便攜式媒體播放器專用解決方案。
此外，NCP5890還內(nèi)置了漸進調(diào)光功能來營造淡入淡出效果。環(huán)境光感測和漸進調(diào)光都是內(nèi)置的自動化功能，可以簡單IC指令激活。該器件支持IC協(xié)議，有兩種不同的地址選項，還具有真關斷(true cut-off)功能，限制關閉模式下的泄漏輸出，以延長電池使用時間。
總結(jié)
安森美半導體身為用于綠色電子產(chǎn)品的首要高性能、高能效硅方案供應商，運用其在低壓和高壓技術(shù)、電源管理方面的專長，針對背光應用提供了多樣化解決方案。除了本文著重介紹的一些典型應用，安森美半導體還有各種為不同應用優(yōu)化的LED驅(qū)動器，以及創(chuàng)新的GreenPoint®工具，幫助設計人員實現(xiàn)交互式網(wǎng)上設計及驗證，加速固態(tài)照明方案的設計。