Mini-LED電源及背光控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

0   引言

近年來，Mini-LED 領(lǐng)域備受行業(yè)關(guān)注，Mini-LED背光顯示技術(shù)具有其他技術(shù)無法比擬的產(chǎn)業(yè)化優(yōu)勢(shì)，Mini-LED 未來的發(fā)展方向涵蓋了大、中、小尺寸LCD顯示背光以及LED 顯示屏等，從市場(chǎng)應(yīng)用來說，Mini-LED 的應(yīng)用主要有兩大方向：一個(gè)是LED 顯示屏市場(chǎng)；另一個(gè)則是背光應(yīng)用市場(chǎng)。其中LED 顯示屏以及大尺寸電視將成為Mini-LED 未來應(yīng)用的主流產(chǎn)品。

Mini-LED 背光TV 因其分區(qū)多、畫質(zhì)優(yōu)、造型薄已成為TV 行業(yè)重點(diǎn)預(yù)研方向之一。在使用同等燈珠規(guī)格可滿足整機(jī)亮度的情況下，采用動(dòng)態(tài)掃描方式控制LED 背光源，恒流驅(qū)動(dòng)IC 對(duì)LED 分區(qū)進(jìn)行矩陣式控制，可極大減少背光恒流驅(qū)動(dòng)IC 使用數(shù)量，降低系統(tǒng)成本，大大提高了產(chǎn)品的競(jìng)爭(zhēng)力。目前隨著Mini-LED 燈珠成本的下降，以及生產(chǎn)工藝的提升，Mini-LED 作為TV背光源的可量產(chǎn)性也大大提高。

1   Mini-LED系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理

隨著顯示技術(shù)的不斷發(fā)展，LED TV 對(duì)畫質(zhì)的要求日益提高，Mini-LED TV 背光技術(shù)已成為近期的熱點(diǎn)技術(shù)，行業(yè)內(nèi)各廠家已經(jīng)投入較多的資源研究開發(fā)。為了開發(fā)出高性價(jià)比、系統(tǒng)優(yōu)的新品類Mini-LED背光TV 產(chǎn)品，做好背光驅(qū)動(dòng)、背光控制、電源供電等技術(shù)，設(shè)計(jì)了一種系統(tǒng)較優(yōu)的Mini-LED 背光TV 背光驅(qū)動(dòng)及電源系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，如圖1 所示。

圖1 Mini-LED系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理圖

Mini-LED 顯示系統(tǒng)硬件平臺(tái)主要由主板、電源板、MCU 控制板、T-CON 板及燈板組成。其中，市電（一般為AC 220 V）通過AC 交流插座給電源板供電，電源板工作后給主板、T-CON 板、MCU 控制板及燈板供電，是Mini-LED 整機(jī)系統(tǒng)的供電設(shè)備。

主板為MCU 控制板提供控制信號(hào)（SPI 通信）及電源待機(jī)信號(hào)。MCU 控制板一部分為掃描控制開關(guān)電路，用來實(shí)現(xiàn)燈板的掃描控制，采用掃描控制方式后，可大幅減少恒流IC 控制數(shù)量；另一部分為燈板SPI 通信，實(shí)現(xiàn)燈板的區(qū)域調(diào)光功能。

2   Mini-LED電源及背光控制關(guān)鍵技術(shù)

2.1 分立式雙電源供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)

目前行業(yè)中高壓供電系統(tǒng)的電源部分易于設(shè)計(jì)，系統(tǒng)燈數(shù)多，為了使系統(tǒng)最優(yōu)，電源設(shè)計(jì)采用分立式低壓大電流雙電源供電系統(tǒng)架構(gòu)，以減少燈數(shù)，同時(shí)，電源通過模組燈條雙路電壓反饋方式實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)輸出電壓，做到恒流芯片開通低損耗，有效降低恒流IC 的熱損耗。電源系統(tǒng)框圖如圖2 所示。

圖2 高效分立式雙電源供電系統(tǒng)框圖

① PFC 電路

采用交錯(cuò)式PFC 方案，降低PFC 功率器件的電應(yīng)力和熱損耗。

② LED 燈供電電源

采用分立式雙電源半橋諧振軟開關(guān)技術(shù)（LLC），如圖2 所示LLC 電路1 和LLC 電路2，結(jié)合次級(jí)大電流同步整流電路1 和同步整流電路1，輸出Vout1 和Vout2 給LED 燈板供電。采用分立式雙電源供電系統(tǒng)可提高主電源效率，降低低壓大電流引起的熱損耗。如圖2 紅框內(nèi)所示電路。

③主板供電電源

采用半橋諧振軟開關(guān)技術(shù)（LLC），輸出+12 V 給主板供電，同時(shí)通過T-CON 切換電路，給屏體玻璃T-CON 板供電；輸出+20 V，給主板功放供電。

④待機(jī)電源

采用間歇振蕩模式（Burst mode）方案提高輕載和待機(jī)效率，一方面輸出+5 VSB 給主板做待機(jī)電源，做到待機(jī)低功耗，另一方面給恒流控制板供電。

2.2 背光源的動(dòng)態(tài)掃描技術(shù)

1）動(dòng)態(tài)掃描技術(shù)原理

Mini-LED 背光TV 因其分區(qū)多、畫質(zhì)優(yōu)、造型薄已成為TV 行業(yè)重點(diǎn)預(yù)研方向之一。目前帶有區(qū)域調(diào)光（local dimming）技術(shù)的電視，一般都采用靜態(tài)方式控制，恒流驅(qū)動(dòng)IC 對(duì)LED分區(qū)進(jìn)行點(diǎn)對(duì)點(diǎn)控制，當(dāng)分區(qū)數(shù)較多時(shí)，采用靜態(tài)控制方式背光恒流IC 用量較多，電路成本較高，連接線多且工藝較為復(fù)雜。在使用同等燈珠規(guī)格可滿足整機(jī)亮度的情況下，采用動(dòng)態(tài)掃描方式控制LED 背光源，恒流驅(qū)動(dòng)IC 對(duì)LED 分區(qū)進(jìn)行矩陣式控制，可極大減少背光恒流驅(qū)動(dòng)IC 使用數(shù)量，降低系統(tǒng)成本，大大提高產(chǎn)品的競(jìng)爭(zhēng)力。

由于分區(qū)多，采用傳統(tǒng)靜態(tài)控制方式，恒流控制IC 數(shù)量多，熱損耗大，成本高，因此，在TV 行業(yè)內(nèi)采用掃描方式實(shí)現(xiàn)燈板的控制，該方案采用掃頻LED 共陽極方式設(shè)計(jì)，由掃描MOS 管分時(shí)控制LED+ 的開通與關(guān)斷，MCU 控制板對(duì)LED 分區(qū)進(jìn)行矩陣式控制。在此，以聚積48CH的恒流驅(qū)動(dòng)IC，以N 掃描方式設(shè)計(jì)為例，掃描方式的原理框圖如圖3 所示。

圖3 Mini-LED掃描原理圖

該系統(tǒng)采用N 行動(dòng)態(tài)掃描方式設(shè)計(jì)，掃描方式的原理框圖具體參見圖3。LED 燈條的陽極供電VLED 由N個(gè)MOS 管控制，MOS 管的驅(qū)動(dòng)由MCU 控制器模塊端口提供。當(dāng)MCU 控制器模塊及恒流驅(qū)動(dòng)板的供電VCC穩(wěn)定后，MCU 控制模塊對(duì)恒流驅(qū)動(dòng)板進(jìn)行寄存器初始化，初始化完成后，MCU 控制模塊檢測(cè)是否有主板SPI數(shù)據(jù)輸入，若有，則將數(shù)據(jù)信息分配到相對(duì)應(yīng)的恒流驅(qū)動(dòng)板中，若無數(shù)據(jù)輸入，MCU 控制模塊保持等待狀態(tài)，所述數(shù)據(jù)信息包括LED 燈條的亮度及調(diào)光信息等。MCU 控制模塊通過檢測(cè)GCLK 信號(hào)作為計(jì)數(shù)信號(hào)，依次控制行掃描MOS 管的開通與關(guān)斷，行掃描的開通順序?yàn)樾袙? 到行掃N，不斷地循環(huán)開通，恒流驅(qū)動(dòng)通過對(duì)LED- 端口的開通與關(guān)斷，精確控制每一個(gè)LED 燈分區(qū)，每一幀畫面亮度信息的切換通過Vsync 信號(hào)實(shí)現(xiàn)，當(dāng)檢測(cè)到Vsync 信號(hào)為高電平時(shí)，恒流驅(qū)動(dòng)板刷新一次畫面亮度信息，通過以上可實(shí)現(xiàn)對(duì)LED 背光源的動(dòng)態(tài)掃描控制，從而到達(dá)減少恒流驅(qū)動(dòng)板數(shù)量，降低系統(tǒng)成本的效果。

該方案支持4 線SPI 通信，通信從CS_N 由高到低轉(zhuǎn)換開始，串行數(shù)據(jù)輸入（SDI）上的數(shù)據(jù)在串行時(shí)鐘（SCLK）的上升緣鎖存。該協(xié)議由4 比特讀/ 寫命令、12 比特內(nèi)存地址（Address），和16 比特?cái)?shù)據(jù)（Data）組成，地址和數(shù)據(jù)從最高位（MSB）先發(fā)送，時(shí)序如圖4 所示。

圖4 Mini-LED SPI時(shí)序圖

2）MCU 控制及掃描切換技術(shù)

本方案采用低成本的MCU 控制方式替代業(yè)內(nèi)普遍使用的FPGA 方案控制，SPI 頻率可支持到100 MHz，滿足系統(tǒng)傳輸數(shù)據(jù)要求，并為后續(xù)預(yù)留了一定的擴(kuò)展空間。同時(shí)，設(shè)計(jì)開發(fā)掃描低延時(shí)切換掃描電路，滿足系統(tǒng)恒流控制掃描切換的要求。MCU 控制及掃描切換技術(shù)系統(tǒng)如圖5所示。

圖5 MCU控制及掃描切換技術(shù)系統(tǒng)框圖

3   結(jié)束語

本文詳細(xì)介紹了新型顯示技術(shù)Mini-LED 背光在TV 上應(yīng)用時(shí)的電源及背光控制系統(tǒng)，并給出了關(guān)鍵技術(shù)原理，即掃描控制背光區(qū)域調(diào)光技術(shù)、高效分立式雙電源供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)及MCU 控制及切換技術(shù)，滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求，是一種系統(tǒng)較優(yōu)的Mini-LED 背光TV 背光驅(qū)動(dòng)及電源系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，對(duì)Mini-LED 電視的開發(fā)及推廣應(yīng)用具有重要的借鑒和參考意義。

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（本文來源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2021年10月期）