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一文了解LCD背光驱动电路原理

2019-01-10 16:55:59

蚂蚁芯城一站式电子元器件采购服务平台为您解读:一文了解LCD背光驱动电路原理。

在之前的文章当中终南小师傅为大家分析过显示屏的显示驱动VGH/VGL电路,相信大家应该还记得。如下链接

LCM驱动电压VGH&VGL产生电路原理分析!

在显示屏驱动板设计中还有另外一个很重要的电路—背光驱动电路,也是很多工程师存在疑问的一个基础电路,因此我将在本文中带大家从背光单元组成到背光电路设计,一步一步分析这个电路。照旧还是先上图。

图1 参考电路图

上图是一款显示屏(AUO M190ETN01.0 ,19”)的背光驱动电路图,本文就以此为例,讲解如何设计一款LED背光驱动电路,以及其背后关联的原理。原创今日头条:卧龙会IT技术

一、背光单元组成分析

1、基本原理分析

目前大尺寸的显示屏主要还以LCD为主,LCD本身不会发光,要想让其显示画面,就必须使用白光背光源,常见的白光背光源一般由数个白色LED灯组成,LED灯的个数由屏的尺寸决定,一般由1~10串(串联型,本文暂不介绍并联型),每串2~20个不等。

2、LED的参数

LED的主要参数是Vf和If。

Vf:正向电压,LED发光时自身正负极两端的压降。

If:正向电流,一定发光强度下通过LED的电流,发光强度和If成正比,相同的If下LED灯的发光强度相同。

例如,普通手机LCD背光常用的LED正常发光时的If为20mA,Vf一般为3.0~3.4V 。

3、LED驱动电路的基本设计要求

(1)满足背光的亮度要求;

(2)整个显示屏亮度均匀(即不允许有某一部分较亮、另一部分较暗的情况);

(3)亮度可以方便地调节 ;

(4)驱动电路占PCB空间要小;

(5)工作效率高;

(6)综合成本低;

(7)对系统其他模块干扰小。原创今日头条:卧龙会IT技术

4、背光驱动原理讲解

串联型驱动电路顾名思义就是在电路中各LED灯采用串联的方式连接在一起,因此,经过各个灯的电流都是一样的,这样就可以保证每颗灯的亮度一样,因此发光亮度均匀是串联型的最大优点。

由于各灯采用串联连接方式,而每颗灯Vf电压为3.0~3.4V,以Vf为3.0V为例,如果是10颗串联就意味着需要10*3.0=30V,所以该方式的驱动电路就需要采用DC/DC Boost电路把电压升到所需电压。

下图2是M190ETN01.0 datasheet中的一段描述。

图2 显示屏背光单元电性能参数

示意图如下。

图3 背光灯串示意图

图中共有4串LED灯串,每串的正极接在一起连到高压上,负极则分别引出。

二、电路原理分析

由上图2可以看出,M190ETN01.0这款显示屏的Vmax为37.4V,总共需要4路电源,单路Imax为90mA,因此在选择boost芯片时既可以考虑2路Imax为180mA的芯片,也可以考虑4路Imax为90mA的芯片。

考虑到一些worse case,我们在选用Boost芯片一般都需要降额使用,即Vmax和Imax均需要上调50%左右(需要根据应用环境调整降额百分比,由于我这款电路是应用在高铁上,所以降额幅度稍大)。

除此之外还要考虑各路之间的平衡值,如果这个值越大,表示各路之间亮度均匀性越差。还有一点,个人认为2路180mA相对与4路90mA的亮度一致性也会稍微差一些。综合实际应用,我们使用的是一驱一的方式,在本设计中选用的Boost芯片是MP3394。

讲到这里,不知道大家有没有没弄懂的地方?如果没有,我们继续往下分析。

1、MP3394功能分析

首先贴上MP3394 datasheet中的功能描述。

图4 MP3394功能描述

上面这大段英文描述大致意思就是:MP3394是一颗常用的LED驱动芯片,共有4个输出引脚,能同时驱动4路(注意这里是4路,不是四串,上面也有说过根据电流不同,每路可同时驱动多串)LED组,每路最大驱动电流是200mA。为了能够自动稳定LED灯的电流达到恒定,设计有一个升压器为LED灯条供电,升压器的频率固定,频率可通过外接电阻进行设置。此外需要外接一个功率MOS管完成升压变换。

每路LED的驱动电流也可以通过外接电阻进行设置。芯片内有4个电流源,以平衡4路LED电流均等,每路间不平衡度低于2.5%。这颗芯片还可以通过PWM脉宽和DC(电流模式)两种不同方式进行调光。

2、引脚功能分析

由于LED驱动芯片属于专用DCDC芯片,各厂家的芯片引脚称谓可能不一致,但是基本功能相似,以下就MP3394的主要引脚进行逐个分析。

图5 MP3394引脚图

1脚:环路频率补偿,和普通DCDC一样用作环路补偿;

2脚:使能控制端,可接IO进行背光开关闭;

3脚:亮度控制输入端,可以是PWM脉冲,也可以是直流输入;

5脚:升压电路开关频率设置,该频率设置恰当,可以提高升压电路的效率,减小电路板的尺寸;

6脚:灯串电流设置,datasheet中有相应公式进行计算;

7脚:亮度调制频率设置脚,当调光信号是直流电压时,该脚到地接一颗电容,当调光信号是PWM脉冲时,该脚到地接一颗100K电阻;

8~11脚:4路LED灯串驱动输出端,外接LED灯串的负极,芯片内部是MOS管漏极开路输出端;原创今日头条:卧龙会IT技术

12脚:过压保护取样输入端,外接升压电路输出端的取样分压电阻。该脚电压超过1.23V时,会触发芯片内部的过压保护电路;

13脚:灯串电流检测,在贮能电感上串联一个电流检测电阻,以检测电感电流的峰值不超过额定值;

15脚:供电脚,5V~28V,当2脚的供电低于5.5V时,芯片内部的欠压保护电路启动,芯片进入休眠状态;

16脚:芯片内部有5V稳压电路,该脚的5V电压为芯片内部的电路供电,当芯片检测到故障时,该脚电压下降到0V。

3、工作原理深度分析

下图为MP3394内部框图,以防引起大家不适,仅作简单分析。

图6 MP3394内部框图

上图中,背光供电加到芯片的VIN脚,在内部经稳压后,VCC脚得到稳压后的5V电压,该电压供芯片内部电路使用。芯片开始工作后,在内部时钟的作用下,从GATE脚输出高电平,加到升压开关管的G极,升压开关管导通。剩下工作原理和常规DCDC基本一致,对照datasheet就可以完成余下的设计,就不再详细分析每一个器件是如何选型的。

以下详细分析一下亮度是如何调节的。

4、背光LED亮度调节方法

目前常用的背光LED亮度调节方法有两种,一种是PWM(电压模式),另一种是DC(电流模式)。

电流模式相对电压模式他的负载相应较快,但是工作原理较为复杂,本文中不做研究和分析。本文中着重分析一下PWM调节。

PWM即脉冲宽度调制,这种调光方式是利用PWM信号的占空比来实现背光亮度调节,其信号的频率和占空比可以通过软件进行设置。最大电流Imax一般是通过硬件设置的,然后通过设置PWM的占空比来调节实际流过LED的电流,占空比为100%时,流过LED的实际电流即为Imax,占空比为50%时,流过LED的实际电流即为Imax的50%。

从另一个方面理解,LED背光驱动电路其实是一个稳流电路。可以稳定LED灯串的电流在LED灯的额定电流上。该电流的大小不随背光的亮度而变化,即调节背光亮度时,LED灯串的电流是稳定不变的,始终保持在Imax,只是调节LED灯串的开启与关断的时间占空比来达到调节背光的亮度,使用电流表测得的电流值实际是电流平均值。

其他的功能像开路、过压、短路的保护,可以参阅datasheet中的解释,这个在常规设计当中一般无需过于关注。

最后一点,在串联型背光电路中需要一个功率电感和和一个肖特基二极管,与常规DCDC一样,在设计时需要处理好环路问题,否则很容易产生EMI问题。

三、蚂蚁结语

由于LED灯条本身故障率较高,常常会引起背光驱动板故障,如果背光驱动板本身设计再存在瑕疵,那么会导致很严重的后果。一般这些故障在产品工作初期不会明显出现,往往在中晚期集中出现,因此在设计当中我们完全有必要弄懂这款电路的原理,对于不同型号显示屏要区别对待,不要盲目套用参考设计,在上面的分析当中也可以看出,一个电阻值的差异就会导致背光异常或者超负荷工作。

以上即为“一文了解LCD背光驱动电路原理”的相关内容解读,如您有关于电子元器件采购、ic交易、元器件批发等行业需求请咨询蚂蚁芯城,蚂蚁芯城(www.mayiic.com)致力于成为最优质的电子元器件服务商,入驻原厂,代理商超1000家,品牌齐全、库存超数百万种、品质有保障。

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