浅谈液晶屏LED背光驱动电路方案

目前，在液晶彩显及液晶彩电中，LED背光源正全面取代冷阴极荧光灯(CCFL， Cold Cathode Fluo-rescent Lamp)背光源，因为与传统CCFL背光源相比，LED除了不含汞而符合环保要求之外，还具有色彩还原好、响应速度快、节能、安全、寿命长、体积小等优点。

与小尺寸液晶屏的LED背光驱动相比，中大尺寸液晶屏对LED背光驱动的要求更高，这是因为当液晶屏的尺寸增大后，需要几十甚至儿百只高亮度LED同时点亮，以提供足够亮度的光源，这就意味着需要更高的驱动电压，更大的驱动电流，更高的散热要求，更灵活的控制方式，更严格的LED电流匹配。

一、LED的驱动要求

LED实际上是一种半导体器件，只有在了解LED的基本光电特性的基础上，电源驱动才能匹配LED的特定需要，从而实现高效可靠的驱动。

在早期，由于LED主要被作为指示或显示灯用，而且一般以单个器件出现，所以对于其波长的分选和亮度的控制要求并不高。当LED作为阵列显示和屏幕元件时，由于人眼对于光的颜色及亮度的分辨率非常高，特别是对于颜色的差异和变化非常敏感，若采用没有分选过的LED，就会产生亮度或颜色不均匀现象，从而影响视觉效果。

在LED的制造过程中，其原材料是3英寸的LED晶圆外延片，如图1所示。这样一块圆外延片可以切割出约3万粒的5mm LED芯粒，由于这些芯粒的色温、品质存在差异(**蓝色部分的芯粒是整块外延片上比较好的芯粒，越靠近外沿，芯粒越不稳定，最外面边缘地带的芯粒是整个外延片上质量最差的)，因此这些芯粒按照正向导通电压值、波长和光亮度可分成很多的小类(即生产中所说的LED BIN)。另外，不同厂家在不同批次的生产过程中，由于在晶圆生成、切割、封装等环节的条件不可能完全一致，这样得到的LED产品的主要参数存在着较大的差异。最后在市面上出售的LED，实际上是厂家已经按照波长、亮度等主要参数进行筛选和分类之后的产品。

1.需进行恒流驱动

由于LED导通时，其电流的变化率远大于正向导通电压的变化率，如图2所示，因此分类测试其光学特性时，大多先确定其额定电流值(比如20mA或者350mA)，以获得预期的亮度，然后测量出正向导通电压的变化范围。同时为保证可靠性，驱动LED的电流必须低于LED额定值，因为当环境温度升高时，LED的额定电流会降低。由此可见，用LED作为液晶屏的背光源时，需对其进行恒流驱动，以保证各只LED亮度、色度一致，并避免驱动电流超出额定值。

2.采用PWM方式调光

由于LED出厂前的检测及分类是基于一致的额定电流值，因而出售的LED在额定电流值附近区域的光学特性一致性很好， 但在距离额定电流值较远的区域，即使用相同的驱动电流，LED之间的光学特性也会出现较大差别。当需要较低亮度时，若采用直接减少流过LED的电流的方法(模拟调光)，则LED之间的亮度就可能存在很大的差异，比如:用5mA的电流驱动两只额定值为20mA的LED，虽总体亮度减小了，但两只LED之间的亮度差异却增加了许多。

中大尺寸LCD背光中需要几十甚至几百只高亮度LED同时点亮，如果流过的电流偏离LED的额定值太多，即使流过每只LED的电流是相同的，也会出现亮度不均匀的情况。在实际运用中，一般采用PWM调光来解决这一问题。相对于模拟调光方式中直接控制流过LED的电流，PWM调光可以实现流过LED的电流保持在额定值，通过控制LED点亮或者熄灭的时间比来调节亮度，这样仍可以保持各只LED之间亮度的一致性。

二、中型尺寸液晶屏的LED背光源驱动方案

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中型尺寸液晶屏主要是指12英寸~22英寸的LCD，主要用于便携式DVD、液晶彩显、笔记本等电器中。为了便于改装，其LED背光驱动板大都与CCFL背光驱动板接口兼容，改装时只需要将其背光源由cCFL灯管换成铝基板的LED灯条，同时将交流高压驱动器换成简单的低压直流驱动器即可。

与小尺寸LCD的LED背光相比，目前中型尺寸的LED背光方案中只是增加了LED的数量，并将串并联后LED组作为一个整体负载来考虑，通过控制流过这个LED组的总体电流来调节LCD屏的亮度。

1.低压差线性稳压器(LDO)方案

部分中型尺寸液晶屏的LED背光源驱动采用LDO方案，这样可充分利用原cCFL驱动器所需的12V的直流输入电压，无需再改动电源电路。一款采用MAX16803的LED驱动电路如图3所示，图中每只LED的额定电流为20mA，每3只串联成一个LED灯串，根据屏的大小选择需要并联的LED灯串的总数。

MAX16803可直接输出高达350mA的电流，若外接双极型结型晶体管(BJT)时，输出电流可高达2A。通过外置的采样电阻R1 ，设定输出的总电流值。该芯片可保持输出总电流恒定，并且支持PWM调光功能。与之同系列的MAX16804将PWM发生器也集成在芯片内部，支持模拟调光功能，这样电路将更为简单。

LDO驱动LED灯组方案的最大优势是电路非常简单，而且基本没有电磁千扰(EMI)，比较适合和LED灯组做在一起，直接放置在LCD屏内。在实际使用中，输入电压与LED灯组所需驱动电压之间存在电压差，这个电压差加在MAX16803内部的低压差线性稳压器上，从而保证加在LED灯组两端的电压恒定，但当电压差比较大时，即加在低压差线性稳压器上的电压差较大，MAX16803发热也就比较大，致使整体工作效率降低，这就是该方案的主要缺点。

另外，在该方案中，由于并联的各LED灯串之间并不存在均流电路，所以只能依靠选择正向导通电压尽可能一致的LED，以减少LED灯串间电流分配不均的影响。

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提示:目前，用于LED背光的普通白光LED功率约为0.05W，工作电流约为20mA，而大功率白光LED的功率一般为1W或2W (甚至更高)，工作电流约为350mA或700mA(甚至更大)。由于大功率白光LED受光通量、转换效率和成本等方面的制约，现仍未普遍使用。

2.开关电源驱动方案

部分中型尺寸液晶屏的LED背光源驱动采用开关电源驱动方案，其最大好处是提高了整个LED组的驱动效率。一款采用MAX16819/MAX16820的LED驱动电路如图4所示，MAX16819的输人电压为4.5V~28V，使得LED背光模组既可以兼容原来cCFL的输人电压，也可以由电池或者适配器直接供电，减少电源变换环节，提高系统的整体效率，并且此方案支持PWM调光功能。

MAX16819

和

MAX16820

是一款降压开关型LED恒流驱动IC，其开关频率为2MHz，仅需外接一只MOSFET管和少量元件，即可输出高达3A的电流，电流精度达土5%，驱动LED的总功率可达25W ，降压转换效率高达94%。由于该IC采用高边电流检测技术，其外部检流电阻上的压降仅为0.2V，这样就大大降低了MAX16819/MAX16820的功耗。

与LDO驱动LED灯组方案一样，开关电源驱动LED灯组也无法从根本上解决各LED灯串之间电流分配不均的影响。

3.开关电源+LDO驱动方案

在驱动LED灯组时，若只是对总电流进行控制，而不能对各LED灯串的电流进行分配，在此情况下，即使选择电气参数较-致的 LEd (这也意味着LED成本会有大幅上)，在相同的驱动电压下，LED灯组中总导通电压高的LED灯串，可能导通不充分;总导通电压低的可能过导通，实际电流超出其额定值，这样的结果一是亮度不太均匀，二是有的LED可能会提前损坏。

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为解决这一问题，再结合开关电源与lDO电路的特点，出现了开关电源+LDO驱动方案，即LED灯组的总供电由开关电源来实现，以提高系统整体效率;每一串(即每一条支路)中串联一个LDO，关电流输出电压与各LED灯串实际正向导通电压之间的电压差由串联的LDO“承担”，LDO实时检测通过此支路LED中的电流，并调节自身的压降，从而实现流过各灯串的电流相同的目的。

MAX16807是一款集成8通道LED驱动并具有开关模式的控制器，“内含电流模式的PWM控制器与稳压变换两大电路，其PWM控制器可根据输人电压(8V~26.5V)的不同，选择降压或升压模式，使输出电压保持恒定(最高可达36V)。另外，该芯片可通过总线单独控制每一支路LED的开/关与PWM调光的占空比。

该IC的典型应用电路如图5所示，驱动8路LED灯串，每路可串联10只白光LED，即该IC可恒流驱动80只LED。在每一条LED支路的回路中，MAX16807内置一个LDO，根据通过的LED电流，可自动调节输人端口的电压值，即调节这一路LED灯串上的实际电压，使流过每条LED支路中的电流均与设定值一致(每路电流均可设定，最大值可达55mA)。

三、大型尺寸液晶屏的LED背光源驱动方案

大型尺寸液晶屏主要是指22英寸及其以上的液晶屏，主要用于液晶电视中。大型尺寸液晶屏要求更高的亮度，就需要使用更多更大功率的LED。对于驱动而言，一是必须保证给每条支路都能提供足够的驱动电流，二是尽量让各LED支路之间的电流能够匹配。

MAX16809、MAX16810的内部结构与MAX16807相近，但驱动的支路更多，可直接驱动16路LED灯串，每路电流可达55mA，每路的输出电压可达到36V，可直接驱动160只白光LED(或240只红色LED，或160只蓝色LED，或160只绿色LED)，其典型应用电路如图6所示。

近年来，随着大功率LED的出现以及生产成本的下降，在部分大屏幕液晶屏的LED背光源中，用350mA的大功率高亮度LED代替20mA的小功率高亮度的LED，由于单只lEd的发光量大幅增加，则在保证整体亮度不变的前提下，LED的数量大幅减少，这样有利于提高系统的整体可靠性。

一款用于液晶彩电背光的350mA高亮度白光LED外形如图7所示，内部并联两只白光LED ，其正向电压最小值为2.9V，最大值为3.5V。在具体实施中，可用大功率红、绿、蓝光LED组合代替350mA高亮度白光LED，其常见电路如图8所示，集成块MAX5094与功率管M1等元件组成升压电路，将输入电压升到40V，供给LED驱动电路。三块MAX16803分别驱动红绿、蓝色的单颗功率为1W的大功率高亮度LED灯串，每个LED串可串联10只LED，并通过各自的PWM端进行数字调光，再将不同亮度的这三种基色进行混光，以得到白光。当然，若用此电路作LEd显示电路，即可形成多种色彩的图案。