Alegerea driverului optim pentru LED de iluminare de fond pentru afişajele MFF

4 MAI 2010

LED-urile albe înlocuiesc rapid CCFL-urile (Cold Cathode Florescent Lamp) pentru iluminarea de fond (margine sau chenar) în afişajele cu factor de formă media (MFF) mari de până la 19 inch. Sistemul de iluminare de fond pentru aceste afişaje poate necesita până la 100 LED-uri. Determinarea metodelor de conectare în paralel sau serie şi a reglajului pentru LED-uri pentru a prelungi viaţa bateriei, fără a reduce calitatea luminozităţii afişajului, poate fi o provocare. Acest articol furnizează un ghid asupra alegerii driverelor WLED optime pentru afişajele MFF pentru a atinge un randament ridicat (viaţă lungă a bateriei) şi cea mai bună luminozitate cu cel mai scăzut cost total.


de Jeff Falin, Factory Applications Engineer, Texas Instruments

Cuvinte cheie: LED, WLED, White LED, CCFL, portable MFF display, TPS61195, Texas Instruments, TI

De ce WLED-urile înlocuiesc CCFL în afişajele MFF?
Renunţarea la CCFL a început cu iniţiativa Uniunii Europene, RoHS, care a căutat să elimine din echipamentele electrice şi electronice de uz casnic şi nu numai câteva substanţe toxice inclusiv mercurul, o componentă majoră în lămpile fluorescente. Pe lângă aceasta WLED-urile au şi alte avantaje asupra CCFL printre care:
– Sunt dispozitive semiconductoare
– Sursă de lumină direcţională
– Operează la tensiuni mult mai mici
– Uşor de reglat pe o gamă mai mare de luminozitate
– Reglare mai liniară a luminozităţii
Iluminatul direcţional al WLED-urilor permite utilizarea unor elemente de difuzie şi ghiduri de lumină mai mici, rezultând panouri şi notebook-uri mai subţiri.

Alegerea topologiei driverului WLED
Luminozitatea unui WLED variază liniar la trecerea curentului prin acesta. Pentru cea mai bună precizie de curent WLED şi luminozitate uniformă WLED pe şir, un driver LED ar trebui să stabilizeze curentul generat la aplicarea unei tensiuni pe LED. Figura 1 prezintă modalitatea prin care orice convertor DC/DC reglabil ajustabil este uşor reconfigurat ca o sursă de curent constantă, destinată să conducă multiple WLED-uri în serie. Cât timp ieşirea lor este mai mare decât suma necesarului pe LED-uri, tensiunea (VLED) scade.

Prin stabilizarea VSENSE, tensiunea pe rezistenţa de sens al curentului (RSENSE), şi nu a tensiunii de ieşire (VO), driverul este în esenţă o sursă de curent constant – lăsând tensiunea sa de ieşire (VO) liberă să se auto-adapteze la variaţiile VLED cu temperatura şi curentul. WLED-urile au căderi de tensiune în gama de la 3V la 4V, cu căderea de tensiune variind direct proporţional cu curentul prin LED şi invers proporţional cu temperatura. Astfel, tensiunea de ieşire a driverului WLED trebuie să fie capabilă să atingă cel puţin suma şirului WLED cu cea mai mare cădere de tensiune VLED la curentul prin LED maxim pe şir.
Deşi tensiunea de intrare pentru majoritatea aplicaţiilor de iluminare de fond variază de la 3,6V la 48Vdc, majoritatea driverelor de iluminare de fond MFF LCD utilizează stive de celule Li-Ion între 7,2V şi 21V pentru a conduce de la 24 la 100 de LED-uri. Numărul de WLED-uri pentru diferite dimensiuni de panouri MFF variază de la 36 pentru panouri de 12,1 inch la 72 pentru panouri de 17 inch.
Conducerea a până la 72 de LED-uri într-un singur şir utilizând configuraţia din Figura 1 conduce la tensiuni de până la 72 × 4 V = 288V. În consecinţă, majoritatea driverelor de iluminare de fond LED se bazează pe nuclee cu amplificatoare ridicătoare de tensiune. Amplificatoarele ridicătoare de tensiune de tensiuni ridicate, mono-inductoare sunt scumpe şi dificil de proiectat deoarece acestea necesită:
– FET-uri de putere cu tensiuni mai mari şi, astfel mai mari şi mai scumpe, diode şi condensatori de ieşire cu caracteristici similare;
– Un controler amplificator capabil de factori de umplere (D=Vout/(Vout+Vin)) de la 87,5 – 96%, care, presupunând o frecvenţă de comutare de 1MHz, conduce la timpi de stare activă (tON) de 875 – 960 ns şi timpi de stare inactivă minimi (tOFF) de 40 ns foarte dificil de controlat;
– O barieră de izolare costisitoare şi de dimensiuni mari care să prevină formarea unui arc electric la şasiu;
– Proceduri manipulare şi testare la tensiuni ridicate;
– Evaluări adiţionale de siguranţă a produsului pentru consumator;
– Acestea produc de asemenea mai mult EMI datorită curentului de mod comun mai ridicat, calculat ca ICM = CPAR*VOUT*fSW, unde CPAR este capacitatea parazită a plăcii formată între drenă şi masă, iar fSW este frecvenţa de comutare a amplificatorului ridicător de tensiune.
Transferul la o topologie fly-back în locul unei topologii bazate pe amplificarea pe bază de inductanţă permite utilizarea unui controler IC, ridicător de tensiune cu cost mic, dar cu complicarea adăugată de necesitatea unui transformator proiectat special. Astfel, pentru a menţine costul scăzut pentru IC şi componentele pasive adiţionale, producătorii de drivere de amplificare cu FET-uri integrate preferă să limiteze ieşirea driverului sub 60V. Un şir LED condus de un astfel de convertor amplificator ar fi limitat la mai puţin de 20 de LED-uri, destul de puţine pentru a comanda iluminarea de fond pentru panouri mai mari MFF. Astfel, convertorul din Figura 1 are câteva şiruri m în paralel, fiecare cu n LED-uri şi rezistenţe de balast în gama 10W pentru a ajuta la echilibrarea curentului şi tensiunii corespunzătoare şirurilor. Cu cât sunt mai echilibrate curentul şi tensiunea de pe WLED-uri, cu atât mai uniformă va fi luminozitatea fiecărui şir.

Dimensionarea rezistenţelor de balast din Figura 1 este dificil de realizat pentru a asigura egalitatea perfectă între şiruri. O abordare mai bună este încorporarea într-un singur driver IC a unui convertor ridicător de tensiune şi a unor stabilizatoare de curent multiple care trag literar acelaşi curent prin şirurile de LED-uri (Figura 2). Driverele detectează căderea de tensiune la fiecare pin VIFBx şi utilizează convertorul ridicător de tensiune pentru a furniza suficientă putere de ieşire pentru a menţine cea mai scăzută tensiune la pin VIFBx (VIFBmin) peste tensiunea maximă a stabilizatorului de curent.
Următoarea întrebare devine, cum se selectează n (numărul de LED-uri pe un şir) şi m (numărul de şiruri de LED-uri)?

Optimizarea numărului m de şiruri, cu n LED-uri pe şir
Există câţiva factori care trebuie luaţi în considerare când se selectează n şi m pentru driverele de amplificare:
– nMAX × VLEDmin < nivelul de tensiune al ieşirii convertorului ridicător de tensiune. - nMIN × VLEDmin > VINmax
– m determină cerinţele de luminozitate şi stabileşte curentul maxim de sarcină al convertorului, ILOADmax = m × ILEDmax
Datele măsurate confirmă că pentru aceeaşi tensiune de intrare şi ILED pe şir, un driver cu o configuraţie m = 6 şi n = 12 (i.e., 12S6P) este mai eficient ca acelaşi convertor cu configuraţia 9S8P. Oare de ce? O analiză detaliată a randamentului unui convertor ridicător de tensiune şi a stabilizatoarelor de curent este dincolo de scopul acestui articol, dar răspunsul poate fi intuit.
Pierderile convertorului cresc împreună cu creşterea puterii la ieşire a acestuia. Creşterea puterii la ieşire a convertorului se datorează creşterii VOUT şi/sau sarcina de ieşire creşte.
Tensiunea de ieşire a convertorului amplificator creşte cu numărul seriilor n de LED-uri şi sarcina de ieşire creşte odată cu numărul de şiruri m (sau dacă creşte curentul pe şir). Aceste pierderi în stabilizatoarele de curent sunt pur şi simplu curentul fiecărui şir înmulţit cu tensiunea la fiecare pin de feedback al curentului, IFBx. Evident, pierderile stabilizatorului sunt mai ridicate pe măsură ce curentul pe şir creşte sau pentru un driver cu o tensiune de stabilizare VIFB mare. Cum s-a menţionat anterior, un driver precum cel prezentat în Figura 2 stabilizează convertorul amplificator astfel încât tensiunea de ieşire creşte numai la suma VLEDs ale şirului care are WLED-urile cu cel mai mare VLEDs plus VIFBmin. Deoarece tensiunile la celelalte VIFB sunt mai mari datorită LED-urilor din şirurile rămase având căderi de tensiune mai mici, stabilizatoarele de curent rămase consumă energie în pierdere.
Statistic, există un număr optim de m şiruri n LED-uri pe şir care să micşoreze pierderile de curent şi să mărească randamentul driverului. O analiză statistică a pierderilor în stabilizatorul de curent prin încorporarea mediei, varianţei şi deviaţiei standard a căderilor de tensiune în LED-uri dezvăluie că pierderile stabilizatorului de curent cresc direct proporţional cu numărul de şiruri m, dar numai cu rădăcina pătrată a numărului n de LED-uri pe şir.

Figura 3 prezintă rezultatele unui model de randament pentru convertorul ridicător de tensiune şi stabilizatoarele de curent pentru un driver specific.
Deşi pierderile variază puţin cu VIN, ILED şi VIFB, este evident că iluminările de fond pentru majoritatea panourilor MFF vor avea randamentul cel mai bun cu şiruri 4 < m < < 12. Reglajul
După cum este prezentată în Figura 4, cea mai simplă metodă de reglare a unui şir WLED este aplicarea unui semnal PWM la o frecvenţă fixă cu un factor de umplere D la pinul enable al driverului din Figura 1. Curentul WLED mediu este factorul de umplere al semnalului PWM înmulţit cu curentul maxim prin LED ILED-max, dacă, ILED-avg = D × ILED-max. Deoarece curentul maxim prin LED-uri este identic, reglarea cu PWM conduce la o schimbare foarte liniară în luminozitate. De asemenea, din moment ce spectrul de lumină emisă al unui LED variază cu căderea de tensiune a acestuia şi căderea de tensiune variază cu ILED, spectrul de culoare, intensitatea culorii şi nuanţa iluminării de fond (cât de “alb” este în realitate) sunt excelente cu reglajul PWM.

Totuşi, proprietăţile piezoelectrice ale condensatorului ceramic de ieşire pot cauza probleme când este utilizat PWM pentru reglaj. În special, încărcarea şi descărcarea condensatorului la frecvenţele semnalului PWM în domeniul auzibil (20Hz – 20kHz), produce vibraţia acestuia, iar urechea umană percepe un sunet sau ţiuit. Vibraţia este direct proporţională cu amplitudinea tensiunii şi mărimea încapsulării condensatorului ceramic. Reducând dimensiunea încapsulării se reduce ţiuitul. Utilizarea mai multor şiruri paralele m sau mai puţine LED-uri pe şir, astfel scăzând tensiunea pe condensator, reduc intensitatea ţiuitului. De asemenea, drivere recente cu stabilizatoare de curent opresc pur şi simplu stabilizatorul de curent sau convertorul amplificator când se reglează cu PWM, prevenind condensatorul ceramic de ieşire să se descarce complet în timpul reglării PWM.

Iniţial, pentru a evita ţiuitul condensatorului ceramic, mulţi producători de panouri au trecut la reglare analogică, de asemenea prezentată în Figura 4. Reglarea analogică nu cauzează practic nici o oscilaţie la ieşire deoarece un semnal extern ajustează convertorul amplificator din Figura 1 sau stabilizatoarele de curent ale punctului de stabilizare din Figura 2 şi, astfel, nivelul curentului DC prin LED-uri. Alte beneficii ale reglării analogice faţă de reglarea PWM includ un randament electric mai ridicat, din moment ce tensiunea de ieşire a convertorului amplificator = Suma VLEDs scade odată cu scăderea ILED, şi de asemenea randament optic-electric mai ridicat, adică mai mulţi lumeni pentru aceeaşi putere consumată.
Reglarea analogică are însă anumite probleme de precizie a curentului când este reglată la nivel scăzut deoarece fie tensiunea VREF fie tensiunea prin stabilizatoarele de curent devine prea mică pentru a fi controlată precis datorită tensiunii de offset a amplificatorului de eroare. Iar, liniaritatea luminozităţii şi spectrul de culoare nu sunt la fel de bune ca şi cele care pot fi realizate cu reglarea PWM, în special când se reglează la nivel scăzut. Astfel, soluţia optimă este combinarea metodelor PWM şi analogică, denumită reglare în mod mixt, după cum este ilustrat în Figura 4.
Reglarea în mod mixt utilizează semnalul PWM de intrare pentru a implementa reglarea analogică până înainte ca scăderea curentului LED să ajungă destul de jos ca să afecteze semnificativ precizia, liniaritatea şi spectrul de culoare LED.
În Figura 4, acel curent este atins când factorul de umplere al semnalului PWM (D) este 12,5%. La acest nivel de curent minim, circuitul începe să utilizeze într-adevăr reglarea PWM. Totuşi, în locul porniri sau opririi curentului LED maxim prin stabilizatoarele de curent la factorul de umplere al semnalului PWM de intrare, circuitul transferă factorul de umplere al intrării la valoarea potrivită pentru nivelul de curent WLED minim atins cu reglarea analogică.
De exemplu, TPS61195 este capabil să conducă până la m = 8 şiruri (în paralel), fiecare cu n = 10 WLED-uri (în serie). Prin interfaţa SMBus, TPS61195 furnizează de asemenea opţiuni de reglaj flexibile astfel încât inginerul proiectant să poată regla WLED-urile utilizând fie reglarea pur PWM sau un mod mixt de reglare analogică şi PWM, potrivit cu cerinţele sistemului.

Concluzie
Experţii prezic o înlocuire completă a CCFL cu WLED în iluminarea de fundal a panourilor LCD MFF până în 2011. Producătorii de drivere de iluminare de fond îmbunătăţesc continuu driverele pentru a satisface nevoile producătorilor de panouri pentru soluţii de mici dimensiuni, randament maxim şi reglare flexibilă. De exemplu, TPS61195 încapsulat 4×4 QFN, conducând 8 şiruri de câte 12 WLED-uri fiecare de la tensiuni de intrare de până la 21V şi cu reglare flexibilă, îndeplineşte aceste nevoi.

Referinţe
– Pentru a descărca fişa tehnică pentru TPS61195: http://focus.ti.com/docs/prod/folders/print/tps61175.html.
– Pentru mai multe informaţii despre LED-uri: www.ti.com/led-ca.
– Pentru întrebări şi împărtăşirea cunoştinţelor în comunitatea online E2E de proiectare a TI: www.ti.com/e2e-ca.

Despre Autor
Jeff Falin este Factory Applications Engineer din grupul High-Performance Analog Portable Power Applications de la Texas Instruments, unde asigură suport pentru aplicaţiile clienţilor atât pentru stabilizatoare liniare cât şi pentru IC-uri comutatoare de putere cu randament ridicat utilizate în principal în dispozitivele electronice pentru consumatori, de la telefoane celulare la TV LCD. Jeff a obţinut MSEE de la University of Tennessee cu o specializare în proiectarea IC. Jeff poate fi contactat la ti_jfalin@list.ti.com.

Contact:
Irina Marin
irina.marin@ecas.ro
ECAS ELECTRO
Tel: 021 204 81 00
Fax: 021 204 81 30
birou.vanzari@ecas.ro

Lasă un răspuns

Adresa ta de email nu va fi publicată. Câmpurile necesare sunt marcate *

  • Folosim datele dumneavoastră cu caracter personal NUMAI pentru a răspunde comentariilor/solicitărilor dumneavoastră.
  • Pentru a primi raspunsuri adecvate solicitărilor dumneavoastră, este posibil să transferăm adresa de email și numele dumneavoastră către autorul articolului.
  • Pentru mai multe informații privind politica noastră de confidențialitate și de prelucrare a datelor cu caracter personal, accesați link-ul Politica de prelucrare a datelor (GDPR) si Cookie-uri.
  • Dacă aveți întrebări sau nelămuriri cu privire la modul în care noi prelucrăm datele dumneavoastră cu caracter personal, puteți contacta responsabilul nostru cu protecția datelor la adresa de email: gdpr@esp2000.ro
  • Abonați-vă la newsletter-ul revistei noastre