于玖愛，劉學(xué)滿

（長沙湘計(jì)海盾科技有限公司 湖南 長沙 410005）

相對傳統(tǒng)的CCFL液晶顯示器背光源存在色階差、色純度低、需高壓驅(qū)動(dòng)導(dǎo)致功耗大、屏厚度大等缺點(diǎn)而言，LED背光源以其功耗低、壽命長、更環(huán)保、屏厚度低等優(yōu)點(diǎn)[1]在民用和軍用顯示產(chǎn)品上得到更多應(yīng)用。尤其是它超強(qiáng)的色彩表現(xiàn)力更是CCFL背光源遠(yuǎn)不及的，其色彩飽和度達(dá)到甚至超過Adobe RGB和NTSC色彩標(biāo)準(zhǔn)要求[2]，可以達(dá)到NTSC ratio 100%以上平面光源特性，而CCFL背光只能實(shí)現(xiàn)NTSC色彩區(qū)域的78%。另外，LED的高刷新頻率使其在視頻方面有更好的性能表現(xiàn)，LED顯示屏的單個(gè)元素反應(yīng)速度是CCFL背光液晶屏的1 000倍，即使是在強(qiáng)光下也可以照看不誤，并且適應(yīng)零下40℃的低溫。

隨著LED背光源越來越廣泛地應(yīng)用，其驅(qū)動(dòng)電路的良好設(shè)計(jì)也就顯得格外重要。對于普通的小型液晶顯示器而言，通常只要幾個(gè)LED燈便可滿足其顯示要求，因此對驅(qū)動(dòng)電路的要求也較低。對于中大型液晶顯示器而言，常需要幾十、上百個(gè)的LED燈，對電路驅(qū)動(dòng)能力的設(shè)計(jì)要求就更高。筆者介紹的基于LT3599 LED背光源驅(qū)動(dòng)控制電路，可以適用于中大型液晶顯示器 （同樣也可適用于小型液晶屏背光源的驅(qū)動(dòng)）。此電路經(jīng)測試和試驗(yàn)驗(yàn)證，能滿足各種常規(guī)中大型液晶顯示器的背光驅(qū)動(dòng)控制電路的要求。

1 LT3599簡介

LT3599是一款真彩色PWM脈寬調(diào)控的DC/DC轉(zhuǎn)換器，它的占空比高達(dá)3 000:1，帶有4路LED驅(qū)動(dòng)，每路可驅(qū)動(dòng)120 mA電流，且每路的電流大小均可編程控制和獨(dú)立開關(guān)。它能適應(yīng)3.1 V～30 VDC的寬輸入電壓范圍，輸出電壓高達(dá)44 VDC，開關(guān)頻率范圍為200 kHz～2.1 MHz，同步時(shí)鐘的選擇靈活——即可接外部時(shí)鐘也可用自帶同步時(shí)鐘。

LT3599帶過壓、欠壓、過流、過熱、抗較大浪涌電流、輸出短路或開環(huán)保護(hù)等完善的保護(hù)功能，是一款安全可靠的集成控制芯片。

2 電路的總體設(shè)計(jì)

整個(gè)驅(qū)動(dòng)控制電路的整體構(gòu)成框圖如圖1所示，由多路電源輸出模塊、LT3599控制模塊、FPGA可編程PWM脈寬控制模塊、LED燈組模塊組成。LT3599內(nèi)部是升壓電路，將輸入的電壓在FPGA模塊的控制下轉(zhuǎn)換成LED燈組所需的穩(wěn)定電流和電壓，從而實(shí)現(xiàn)亮度、對比度調(diào)節(jié)，提供給液晶屏穩(wěn)定均勻的背光源。

圖1 驅(qū)動(dòng)控制電路系統(tǒng)框圖Fig.1 Block diagram of drive control circuit

2.1 多路電源輸出模塊的設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)時(shí)選用了日本COSEL公司的CBS502424、CBS502403集成電源塊，設(shè)計(jì)成可調(diào)穩(wěn)壓電路。外部電源只有一路（+28 VDC）輸入，經(jīng)內(nèi)部的整流、濾波、電壓轉(zhuǎn)換和穩(wěn)壓處理后，轉(zhuǎn)換輸出給FPGA模塊以及LT3599控制模塊所需要的+5 VDC、+3.3 V和+24 VDC等多路電壓。

2.2 LT3599控制模塊的設(shè)計(jì)

LT3599有2種封裝：28個(gè)管腳的封裝和32個(gè)管腳的封裝，其中32個(gè)管腳的封裝是熱控增強(qiáng)型封裝，對于高亮及中大型液晶屏來說，選擇32個(gè)管腳的熱控增強(qiáng)型封裝設(shè)計(jì)電路更穩(wěn)定可靠。其典型控制電路如圖2所示。

圖2 LT3599典型應(yīng)用電路Fig.2 Typical application circuit of LT3599

2.2.1 輸出LED驅(qū)動(dòng)電流大小的設(shè)計(jì)

LT3599有4路LED電流輸出通道，每路輸出的電流大小在30～120 mA之間，具體通過設(shè)置ISET管腳所接電阻RISET值大小來控制，此RISET電阻值范圍在11～44.2 kΩ之間，RISET值與LED驅(qū)動(dòng)電流大小的具體計(jì)算方法為：

LT3599通過PWM脈寬調(diào)控來改變其輸出給的LED電流值大小，從而改變LED的亮度，實(shí)現(xiàn)對液晶顯示器亮度和對比度的調(diào)節(jié)。PWM脈寬與LED電流的關(guān)系曲線圖如圖3所示。

圖3 PWM脈寬時(shí)序與LED電流關(guān)系圖Fig.3 Relation diagram between PWM timing sequence and LED electricity

2.2.2 開關(guān)頻率的設(shè)計(jì)

LT3599有很寬的工作開關(guān)頻率，在200 kHz～2.1 MHz之間，具體由管腳RT所接電阻值的大小來決定，RT值與開關(guān)頻率大小的關(guān)系圖如圖4所示。

圖4 開關(guān)頻率與管腳RT所接電阻值關(guān)系曲線圖Fig.4 Relational graph of switching frequency and resistance value connected with RT

要想設(shè)計(jì)出最適合的電路開關(guān)頻率，需綜合考慮幾個(gè)方面：

1）開關(guān)頻率越高則電感值越小，高頻開關(guān)損耗也就越小；

2）對于低壓驅(qū)動(dòng)多個(gè)LED燈的情況，需盡量設(shè)置低的開關(guān)頻率；

3）設(shè)計(jì)時(shí)需考慮總電壓功率的損耗。

4）LT3599內(nèi)部的同步時(shí)鐘頻率在 240 kHz～1.5 MHz之間，對于啟用了LT3599內(nèi)部SYNC同步時(shí)鐘頻率的電路，電路的開關(guān)頻率設(shè)計(jì)時(shí)需低于LT3599內(nèi)部同步頻率的20%，否則會(huì)導(dǎo)致電路工作不穩(wěn)定。

2.2.3 輸出LED所需電壓的設(shè)計(jì)

LT3599輸出電壓的大小通過設(shè)置電阻R10、R11的值來確定，計(jì)算公式為：

為了確保電路長期使用的可靠性和輸出效率，設(shè)計(jì)時(shí)輸出電壓值一般要高于LED所需電壓的10%。為了減少輸出紋波，在LT3599電壓輸出端需還接一個(gè)4.7～10 μF的電容。另外需注意，Vout管腳處所接肖特基穩(wěn)壓管允許通過的平均電流需大于LED驅(qū)動(dòng)電流，此肖特基穩(wěn)壓管的最大反向電壓還需大于LT3599輸出電壓Vout。

2.2.4 保護(hù)電路的設(shè)計(jì)

1）過壓保護(hù)的設(shè)計(jì)：通過FB管腳設(shè)計(jì)電壓反饋環(huán)路從而實(shí)現(xiàn)過壓保護(hù)功能。FB腳參考電壓為1.233 V，具體的保護(hù)電路設(shè)計(jì)如圖5所示。

2）熱保護(hù)電路的設(shè)計(jì)：用VREF、TSET管腳設(shè)計(jì)熱保護(hù)電路。預(yù)先設(shè)定一個(gè)LT3599內(nèi)部極限保護(hù)溫度，當(dāng)LT3599芯片溫度超過這個(gè)值時(shí)LT3599輸出給LED燈的電流就自動(dòng)降低，從而使芯片的溫度慢慢降低。LT3599內(nèi)部設(shè)定給VREF的參考電壓時(shí)1.227 V，VREF最大輸出100 μA電流。具體的電路設(shè)計(jì)如圖6所示，LT3599內(nèi)部最大控制節(jié)點(diǎn)的溫度值與電阻R1、R2的選擇對應(yīng)關(guān)系如表1所示。

3）欠壓保護(hù)電路的設(shè)計(jì)：通過SHDN/UVL0管腳設(shè)計(jì)欠壓保護(hù)電路。為了避免電路在超低電壓下工作導(dǎo)致出現(xiàn)不穩(wěn)定狀況，當(dāng)此管腳電壓低于1.4 V時(shí)LT3599會(huì)自鎖。LT3599的關(guān)斷電壓和接通電壓可分別通過式（3）和式（4）計(jì)算而得：

圖5 用FB管腳設(shè)計(jì)過壓保護(hù)電路Fig.5 Overvoltage protection circuit designed with FB basepin

圖6 用TSET管腳設(shè)計(jì)溫度保護(hù)電路Fig.6 Temperature protection circuit designed with TSETbasepin

表1 LT3599芯片內(nèi)部最大節(jié)點(diǎn)控制溫度與電阻R1、R2的對應(yīng)關(guān)系Tab.1 Corresponding relationship between controlling temperature of maximal node inside chip LT3599 and resistance R1、R2

圖7 欠壓自鎖控制電路Fig.7 Undervoltage self-locking control circuit

通過SS管腳設(shè)置軟啟動(dòng)開關(guān)鎖的控制時(shí)序圖如圖8所示。

圖8 軟開關(guān)控制啟動(dòng)時(shí)序圖Fig.8 Sequence diagram of soft on-off control start-up

2.3 FPGA可編程控制模塊的設(shè)計(jì)

FPGA采用的是高速串行接口通訊，和傳統(tǒng)的并行接口相比，串行通訊能提供更大的帶寬、更遠(yuǎn)的距離、更低的成本和更高的擴(kuò)展能力[3]。

在設(shè)計(jì)FPGA[4]對LT3599的控制功能時(shí)，充分利用其內(nèi)部可進(jìn)行靈活設(shè)計(jì)的特性。首先檢測視屏驅(qū)動(dòng)板輸出給顯示屏的視頻信號(hào)[5]，識(shí)別出非標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，必要時(shí)FPGA內(nèi)部產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)視屏信號(hào)，然后對行場同步信號(hào)進(jìn)行數(shù)字濾波、時(shí)鐘鎖相，解決因長距離傳輸導(dǎo)致信號(hào)出現(xiàn)衰減失真以及電磁干擾等現(xiàn)象，再將RGB信號(hào)按照預(yù)定的曲線進(jìn)行Gamma和對比度調(diào)節(jié)。

在進(jìn)行視屏信號(hào)檢測時(shí)，用板卡上的系統(tǒng)時(shí)鐘對輸入HS、VS等信號(hào)的上升沿或下降沿進(jìn)行計(jì)數(shù)，如果在設(shè)定時(shí)間內(nèi)檢測到邊沿次數(shù)大于某一個(gè)限值則表示有信號(hào)輸入，否則為無信號(hào)輸入。這種方法輸入信號(hào)的格式范圍寬、可實(shí)現(xiàn)性強(qiáng)。

在進(jìn)行Gamma、對比度調(diào)節(jié)時(shí)，F(xiàn)PGA采用的是通過PC機(jī)查表方式，即對每一個(gè)輸入給出一個(gè)確切的輸出值，此值預(yù)先根據(jù)一定的算法計(jì)算好、使用C語言程序編程設(shè)定，然后將相關(guān)數(shù)據(jù)加到FPGA工程代碼中。通過預(yù)先設(shè)定好的通信方式，在需要進(jìn)行調(diào)整時(shí)，將要調(diào)整到的信息發(fā)送給FPGA，F(xiàn)PGA根據(jù)設(shè)定好的等級選擇輸出不同的值，以完成相應(yīng)的調(diào)整功能。

數(shù)字濾波采用的是對FPGA內(nèi)部的電平調(diào)節(jié)的方式，因?yàn)镠S、VS等信號(hào)上出現(xiàn)的不正常電磁干擾信號(hào)一般脈寬很窄，而HS、VS、DE的脈寬較寬，因此，只要能夠消除非正常脈沖，就可以保證畫面穩(wěn)定正常顯示。關(guān)于數(shù)字濾波解決EMC電磁干擾的時(shí)序圖如圖9所示。

圖9 數(shù)字濾波時(shí)序圖Fig.9 Sequence diagram of digital filtering

2.4 LED燈組

由于LED的亮度是由通過其內(nèi)部的電流決定的，因此進(jìn)行LED燈布局時(shí)，一方面要考慮到整個(gè)液晶屏的亮度均勻性，另一方面要減小電路微小電壓波動(dòng)給LED燈亮度帶來的影響。對于普通中小尺寸的液晶屏，由于背光源大都用的是側(cè)光式，LED燈組可采用串聯(lián)和并聯(lián)相結(jié)合的方式。對于大尺寸液晶屏來說背光源一般采用直下式[6]，為了提高亮度均勻性、減輕顯示器重量，LED燈組還可采用正三角陣列布局[7]，能更好地實(shí)現(xiàn)對LED燈的保護(hù)且提高亮度的均勻性。

3 結(jié)束語

本文所介紹的LED背光驅(qū)動(dòng)電路，其電路效率可達(dá)90%以上。該電路設(shè)計(jì)上各相關(guān)參數(shù)都可以精確計(jì)算和控制，電路的保護(hù)措施齊全、控制效果好、抗干擾能力強(qiáng)，并且可以根據(jù)所需背光亮度和屏的大小靈活組合使用。經(jīng)試驗(yàn)以及使用測試驗(yàn)證，是一款較理想的驅(qū)動(dòng)控制電路。

[1]周志敏，紀(jì)愛華.LED背光照明技術(shù)與應(yīng)用電路[M].北京：中國電力出版社，2010.

[2]彭波.多媒體技術(shù)教程[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2010.

[3]李大鵬，陳長勝，王世奎，等.基于FPGA的高速串行傳輸接口研究與實(shí)現(xiàn)[J].航空計(jì)算技術(shù)，2008，38（2）：100-103.

LI Da-peng， CHEN Chang-sheng， WANG Shi-kui，et al.Research and implementation of high speed serial transmission interface based on FPGA [J].Aeronautical Computing Technique，2008， 38 （2）：100-103.

[4]黃智偉，王彥，陳瓊，等.FPGA系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)踐[M].北京：電子工業(yè)出版社，2005.

[5]Jack K.Video Demystified[M]， Elsevier：Newnes，2005.

[6]馬麗，張麗蕾，萬麗芳，一種直下式LED背光源的設(shè)計(jì)[J].現(xiàn)代顯示，2009（9）：50-54.

MA Li，ZHANG Li-lei， WAN Li-fang.The design of a direct-type LED backlight[J].Advanced Display， 2009（9）：50-54.

[7]王帥，李榮玉，陳秀錦，等.新型直下式正三角陣列LED背光源的光學(xué)分析與設(shè)計(jì)[J].液晶與顯示，2009，24（6）：845-849.

WANG Shuai， LI Rong-yu， CHEN Xiu-jin，et al.Design of noveltriangularLED array unitfordirecttype LED backlight[J].Liquid Crystsls and Displays， 2009，24 （6）：845-849.