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Mini-LED電源及背光控制系統設計

作者:胡向峰(創維集團顯示科技事業部研究院,深圳 518108)時間:2021-11-05來源:電子產品世界收藏
編者按:本文介紹了新型顯示技術Mini-LED背光在TV上應用時的電源及背光控制系統,詳細分析了掃描方式在萬分區級上的應用及與之匹配的電源系統及關鍵技術,對Mini-LED電視的開發及推廣應用具有重要的借鑒和參考意義。


本文引用地址:http://www.koditutor.com/article/202111/429398.htm

0   引言

近年來, 領域備受行業關注,背光顯示技術具有其他技術無法比擬的產業化優勢, 未來的發展方向涵蓋了大、中、小尺寸LCD顯示背光以及LED 顯示屏等,從市場應用來說,Mini-LED 的應用主要有兩大方向:一個是LED 顯示屏市場;另一個則是背光應用市場。其中LED 顯示屏以及大尺寸電視將成為Mini-LED 未來應用的主流產品。

Mini-LED 背光TV 因其分區多、畫質優、造型薄已成為TV 行業重點預研方向之一。在使用同等燈珠規格可滿足整機亮度的情況下,采用動態方式控制LED 背光源,恒流驅動IC 對LED 分區進行矩陣式控制,可極大減少背光恒流驅動IC 使用數量,降低系統成本,大大提高了產品的競爭力。目前隨著Mini-LED 燈珠成本的下降,以及生產工藝的提升,Mini-LED 作為TV背光源的可量產性也大大提高。

1   Mini-LED系統設計原理

隨著顯示技術的不斷發展,LED TV 對畫質的要求日益提高,Mini-LED TV 背光技術已成為近期的熱點技術,行業內各廠家已經投入較多的資源研究開發。為了開發出高性價比、系統優的新品類Mini-LED背光TV 產品,做好背光驅動、背光控制、電源供電等技術,設計了一種系統較優的Mini-LED 背光TV 背光驅動及電源系統的設計方案,如圖1 所示。

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圖1 Mini-LED系統設計原理圖

Mini-LED 顯示系統硬件平臺主要由主板、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 整機系統的供電設備。

主板為MCU 控制板提供控制信號(SPI 通信)及電源待機信號。MCU 控制板一部分為控制開關電路,用來實現燈板的控制,采用掃描控制方式后,可大幅減少恒流IC 控制數量;另一部分為燈板SPI 通信,實現燈板的區域調光功能。

2   Mini-LED電源及背光控制關鍵技術

2.1 分立式雙電源供電系統設計

目前行業中高壓供電系統的電源部分易于設計,系統燈數多,為了使系統最優,電源設計采用分立式低壓大電流雙電源供電系統架構,以減少燈數,同時,電源通過模組燈條雙路電壓反饋方式實時調節輸出電壓,做到恒流芯片開通低損耗,有效降低恒流IC 的熱損耗。電源系統框圖如圖2 所示。

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圖2 高效分立式雙電源供電系統框圖

① PFC 電路

采用交錯式PFC 方案,降低PFC 功率器件的電應力和熱損耗。

② LED 燈供電電源

采用分立式雙電源半橋諧振軟開關技術(LLC),如圖2 所示LLC 電路1 和LLC 電路2,結合次級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 紅框內所示電路。

③主板供電電源

采用半橋諧振軟開關技術(LLC),輸出+12 V 給主板供電,同時通過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待機電源

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

2.2 背光源的動態掃描技術

1)動態掃描技術原理

Mini-LED 背光TV 因其分區多、畫質優、造型薄已成為TV 行業重點預研方向之一。目前帶有區域調光(local dimming)技術的電視,一般都采用靜態方式控制,恒流驅動IC 對LED分區進行點對點控制,當分區數較多時,采用靜態控制方式背光恒流IC 用量較多,電路成本較高,連接線多且工藝較為復雜。在使用同等燈珠規格可滿足整機亮度的情況下,采用動態掃描方式控制LED 背光源,恒流驅動IC 對LED 分區進行矩陣式控制,可極大減少背光恒流驅動IC 使用數量,降低系統成本,大大提高產品的競爭力。

由于分區多,采用傳統靜態控制方式,恒流控制IC 數量多,熱損耗大,成本高,因此,在TV 行業內采用掃描方式實現燈板的控制,該方案采用掃頻LED 共陽極方式設計,由掃描MOS 管分時控制LED+ 的開通與關斷,MCU 控制板對LED 分區進行矩陣式控制。在此,以聚積48CH的恒流驅動IC,以N 掃描方式設計為例,掃描方式的原理框圖如圖3 所示。

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圖3 Mini-LED掃描原理圖

該系統采用N 行動態掃描方式設計,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MOS 管控制,MOS 管的驅動由MCU 控制器模塊端口提供。當MCU 控制器模塊及恒流驅動板的供電VCC穩定后,MCU 控制模塊對恒流驅動板進行寄存器初始化,初始化完成后,MCU 控制模塊檢測是否有主板SPI數據輸入,若有,則將數據信息分配到相對應的恒流驅動板中,若無數據輸入,MCU 控制模塊保持等待狀態,所述數據信息包括LED 燈條的亮度及調光信息等。MCU 控制模塊通過檢測GCLK 信號作為計數信號,依次控制行掃描MOS 管的開通與關斷,行掃描的開通順序為行掃1 到行掃N,不斷地循環開通,恒流驅動通過對LED- 端口的開通與關斷,精確控制每一個LED 燈分區,每一幀畫面亮度信息的切換通過Vsync 信號實現,當檢測到Vsync 信號為高電平時,恒流驅動板刷新一次畫面亮度信息,通過以上可實現對LED 背光源的動態掃描控制,從而到達減少恒流驅動板數量,降低系統成本的效果。

該方案支持4 線SPI 通信,通信從CS_N 由高到低轉換開始,串行數據輸入(SDI)上的數據在串行時鐘(SCLK)的上升緣鎖存。該協議由4 比特讀/ 寫命令、12 比特內存地址(Address),和16 比特數據(Data)組成,地址和數據從最高位(MSB)先發送,時序如圖4 所示。

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圖4 Mini-LED SPI時序圖

2)MCU 控制及掃描切換技術

本方案采用低成本的MCU 控制方式替代業內普遍使用的FPGA 方案控制,SPI 頻率可支持到100 MHz,滿足系統傳輸數據要求,并為后續預留了一定的擴展空間。同時,設計開發掃描低延時切換掃描電路,滿足系統恒流控制掃描切換的要求。MCU 控制及掃描切換技術系統如圖5所示。

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圖5 MCU控制及掃描切換技術系統框圖

3   結束語

本文詳細介紹了新型顯示技術Mini-LED 背光在TV 上應用時的電源及背光控制系統,并給出了關鍵技術原理,即掃描控制背光區域調光技術、高效分立式雙電源供電系統設計及MCU 控制及切換技術,滿足系統設計要求,是一種系統較優的Mini-LED 背光TV 背光驅動及電源系統的設計方案,對Mini-LED 電視的開發及推廣應用具有重要的借鑒和參考意義。

參考文獻:

[1] 鐘炎平,電力電子電路設計[M].武漢:華中科技大學出版社,2010.

[2] 康華光,電子技術基礎[M].北京:高等教育出版社,2009.

[3] 張占松,蔡宣三.開關電源的原理與設計[M].北京:電子工業出版社,2004.

(本文來源于《電子產品世界》雜志2021年10月期)



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