在以
LED作為背光光源的小尺寸LCD產(chǎn)品中，側(cè)面發(fā)光再加上光導(dǎo)板的發(fā)光模式已成為主要的背光光源系統(tǒng)，不過其光的利用率僅為50%，但因背光光源在面板側(cè)面，所以背光
模塊的厚度可控制得與CCFL不相上下，整體系統(tǒng)的重量也相對高出許多。而在大尺寸的
LCD背光光源中，為了增加光的利用率，采用直下型的背光模式，將使光的利用率提升至70%，但相對厚度也由29nm增加到50nm。原文位置
在直下型背光光源中，LED的排列方式對其混色效果與散熱性的影響必須折中考慮，如圖1所示。LED的配置越緊密，RGB混色的效果也越佳，但LED的散熱性能將下降；若LED排列得較為稀疏，就會降低RGB的混色效果，而LED的散熱性能提高。因此，如何設(shè)計出混色效果良好的LED排列與容易實現(xiàn)的散熱設(shè)計，是LED排列設(shè)計中需折中考慮的問題。
圖1 直下型背光光源中LED的排列方式
1、 LED背光照明系統(tǒng)
LED正成為中小型彩色顯示器背光照明應(yīng)用的主流器件。LED的選擇是決定顯示子系統(tǒng)設(shè)計最佳性價比的關(guān)鍵因素。設(shè)計便攜式LED驅(qū)動電路時，一般考慮成本和性能因素。系統(tǒng)設(shè)計的一個約束條件是可用電池功率和電壓，其他約束條件還包括功能特性，例如針對環(huán)境光線作出調(diào)整及建立LED的架構(gòu)。
LED可根據(jù)不同參數(shù)（包括正向電壓及特定正向電流時的色度和亮度）進行篩分。如白光LED的正向電壓通常為3.5~4V，典型工作電流為 15~20mA。當多只LED應(yīng)用在一個背光照明設(shè)備中時，這些LED通常都會進行匹配，以產(chǎn)生均勻的亮度。因此，LED制造商所提供的經(jīng)“差異篩選”或匹配的LED，在某個特定電壓范圍內(nèi)其VF或其他參數(shù)都是匹配的。這些VF的差異通常為3.5V~3.65V、3.65~3.8V，以及3.8~4.0V，最新的LED產(chǎn)品的正向電壓為3V。低VF值的LED適用于小型顯示器，至于較大的彩色顯示器通常需要較高的亮度，一般采用中或高VF值的LED。
一般來說，LED的VF值是系統(tǒng)設(shè)計的重要參數(shù)。因為由普通電池供電的便攜式產(chǎn)品（如移動電話）使用單一的鋰離子電池，其電壓范圍為2.7~4.2V。如果將系統(tǒng)對電池工作電壓的要求設(shè)計為不低于3V，設(shè)計中就可以直接使用低至3V且未經(jīng)穩(wěn)壓的電池電壓來驅(qū)動LED。
將多只LED連接在一起使用時，正向電壓和電流均必須匹配，整個組件才能產(chǎn)生一致的亮度。實現(xiàn)恒定電流最簡單的方法是將經(jīng)過正向電壓篩選的LED串聯(lián)起來。LED經(jīng)匹配的差異級別包括發(fā)光強度和色度，其中色度決定顯示的顏色，大多與計所使用的半導(dǎo)體工藝有關(guān)。電氣工作條件對色度的影響很小。對于發(fā)光強度而言，篩選工藝可測量在給定正向工作電流下的發(fā)光強度。
目前，市場上已有能夠驅(qū)動多只LED的驅(qū)動集成電路，其功能包括電壓提升以至驅(qū)動多只串聯(lián)的LED，以便與每列包含一只或多只LED的陣列進行電流匹配。特定驅(qū)動集成電路可提供獨立于LED正向電壓VF的精確電流匹配，采用LED亮度控制功能，有助于提供更多功能和改善電源管理。
2、 白光LED背光電源解決方案
近來，隨著無線通信產(chǎn)品的方案，彩我LCD顯示屏逐步引入移動電話和PDA等產(chǎn)品中，白光LED為這種應(yīng)用提供了完美的背光方案。然而，由于單節(jié)鋰離子電池的典型電壓為 3.6V，最高電壓為4.2V，而白光LED在20mA電流時，其正向電壓典型值為3.5V，最大值為4V,因此單節(jié)鋰離子電池不能直接驅(qū)動白光LED。因此，許多移動電話和PDA廠家一直在尋找經(jīng)濟、高效的白光LED升壓背光電源解決方案。
圖2描述了用DC/DC升壓轉(zhuǎn)換器MAX1848為三只白光LED供電的方案。MAX1848采用恒流方式驅(qū)動2~3只白光LED，適合于移動電話、PDA等便攜式產(chǎn)品。該升壓轉(zhuǎn)換器包括一個高電壓、低導(dǎo)通電阻的N溝道MOSFET開關(guān)，可以取得較高的轉(zhuǎn)換效率，最大限度地延長電池的使用壽命。模擬電壓雙模式輸入端為亮度調(diào)節(jié)及開關(guān)控制提供了簡便的途徑，該輸入端也可以通過輸入PWM波形、外加一個RC濾波器實現(xiàn)控制。1.2MHz的電流模式PWM控制技術(shù)使得控制器外部可以采用很小的輸入、輸出電容器和小型電感器，并將輸入電壓紋波降至最小�？删幊誊泦庸δ芟藛悠陂g的輸入浪涌電流。MAX1848采用了節(jié)省體積的SOT-23封裝或超小型UCSP封裝。
圖2 用MAX1848為三只白光LED供電的方案
在圖2所示電路中，MAX1848外部需要一個小型電感、一個二極管、一個檢流電阻和三個電容。該方案的總成本比MAX684電荷泵方案稍高，但它的轉(zhuǎn)換效率卻高得多。當驅(qū)動三只串聯(lián)的白光LED時，需要的輸出功率為
POUT=3.1×3×15=139.5mW
MAX1848的轉(zhuǎn)換效率為
η=POUT/（POUT+PMAX1848+PVD1） (1)
式中：PMAX1848是MAX1848消耗的功率：POUT為輸出功率；PVD1是在肖特基二極管VD1上消耗的功率。
表1所列數(shù)據(jù)是利用MAX1848評估板測量得到的實際數(shù)據(jù)。從表1中可以看出，采用MAX1848的方案的效率比MAX684高出15%~25%，具體數(shù)據(jù)與輸入電壓有關(guān)。
因此，當輸入電壓為3.6V時，采用MAX1848的方案需要的輸入功率為
PIN=9.32×15/0.8529≈164（mW）
當輸入電壓為4.2V時，采用MAX1848的方案需要的輸入功率為
PIN=9.32×15/0.8539≈163.7（mW）
MAX684電荷泵供電方案所需外部元件少，成本也較低；而MAX1848電感升壓方案需要的輸入功率低得多，最大限度地延長了電池的使用壽命。在圖2所示電路中，允許LED采用串聯(lián)結(jié)構(gòu)，保證所有LED的電流相同、亮度相同，同時還消除了并聯(lián)結(jié)構(gòu)中的限流電阻。MAX1848還有一個重要特性，即輸出過壓保護，避免了由于偶然因素而在LED未被連接時輸出電壓過高導(dǎo)致LED損壞。MAX1848方案同樣適合于其他采用小型彩色LCD顯示屏的便攜式產(chǎn)品。原文位置
3、 控制LED亮度的方法
把紅光和綠光LED放在一起作為一個像素制作的顯示屏叫雙色屏或彩色屏；把紅光、綠光、藍光三種LED放在一起作為一個像素的顯示屏叫三色屏或全彩屏。制作室內(nèi)LED屏的像素尺寸一般是2~10mm，常常把幾種能產(chǎn)生不同基色的LED管芯封裝成一體；室外LED屏的像素尺寸多為12~26mm，每個像素由若干個各種單色LED組成，常見的成品稱像素筒。雙色像素筒一般由三紅二綠組成，三色像素筒用二紅一綠一藍組成。
無論用LED制作單色、雙色或三色屏，若欲顯示圖像，需要構(gòu)成像素的每只LED的發(fā)光亮度都必須能調(diào)節(jié)，其調(diào)節(jié)的精細程度就是顯示屏的亮度等級。亮度等級越高，顯示的圖像就越細膩，色彩也越豐富，相應(yīng)的顯示控制系統(tǒng)也越復(fù)雜。一般256級亮度的圖像，顏色過渡已十分柔和，而16級亮度的彩色圖像，顏色過渡界線十分明顯。所以，彩色LED屏當前都要求做成256級亮度的。LED亮度的控制方法有以下兩種：
① 改變流過LED的電流。一般LED允許連續(xù)工作的電流在20mA左右，除了紅光LED有飽和現(xiàn)象外，其他LED的亮度基本上與流過的電流成比例。
② 利用人眼的視覺惰性，用脈寬調(diào)制方法來實現(xiàn)亮度控制，也就是周期性地改變脈沖寬度（即占空比），只要這個重復(fù)點亮的周期足夠短（即刷新頻率足夠高），人眼就感覺不到發(fā)光像素在抖動。由于脈寬調(diào)制更適合于數(shù)字控制，所以采用微機來提供LED顯示內(nèi)容的顯示屏都采用脈寬調(diào)制方式來控制亮度等級的。
LED的控制系統(tǒng)通常由主控箱、掃描板和顯控裝置三大部分組成。主控箱從計算機的顯示卡中獲取一屏像素的各色亮度數(shù)據(jù)，然后重新分配給若干塊掃描板，每塊掃描板負責控制LED屏上的若干行（列），而每一行（列）上LED的顯示控制信號則用串行的方式傳送。目前有兩種串行傳送顯示控制信號的方式，其中一種方法是在掃描板上集中控制各像素點的亮度，掃描板將來自控制箱的各行像素的亮度值進行分解（即脈寬調(diào)制），然后將各行LED的開通信號以脈沖形式（點亮為 1，不亮為0）按行用串行方式傳輸?shù)较鄳?yīng)的LED上，控制其是否點亮。這種方式所用器件較少，但串行傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量較大，因為一個重復(fù)點亮的周期內(nèi)，每個像素在16級亮度下需要16個脈沖，在256級亮度下需要256個脈沖。由于器件工作頻率的限制，一般只能使LED屏做到16級亮度。
另一種方法是掃描板串行傳輸?shù)膬?nèi)容不是每只LED的開關(guān)信號而是一個8位二進制的亮度值。每只LED都有一個自己的脈寬調(diào)制器來控制點亮?xí)r間。這樣，在一個重復(fù)點亮的周期內(nèi)，每個像素點在16級亮度下只需要4個脈沖，在256級亮度下只需8個脈沖，大大降低了串行傳輸頻率。用這種分散控制LED亮度的方法可以很方便地實現(xiàn)256級亮度控制。
在任何計算裝置中，對顯示器的要求都比較嚴格，小型（2~4英寸）彩色TFT顯示屏在手持設(shè)備中較為通用，顯示器電源可能消耗電池的絕大部分能量。采用 TFT顯示器需要將很大一部分能量用于背光。與CCFL和EL背光光源相比，白光LED由于其出色的效率和簡單的驅(qū)動電路，在小型TFT顯示器背光照明中得到廣泛應(yīng)用。白光LED具有較高的正向電壓（3.0~4.0V），常常需要一個升壓電路。該升壓電路采用電荷泵結(jié)構(gòu)或基于電感的設(shè)計，背光效率由顯示器工作的頻繁程度決定。圖3給出了兩種選擇方案，基于電感的設(shè)計可提供最佳的轉(zhuǎn)換效率，并在電池將要耗盡時仍可保持恒定的LED亮度；電荷泵器件的成本較低，但效率也較低。
圖3 兩種通用的白光LED驅(qū)動方案
4、 降低列驅(qū)動器功耗及提高性能的解決方案
平板顯示器的清晰度及刷新率不斷提高，使掃描線的刷新率也越來越高，而這方面的要求又與系統(tǒng)設(shè)計盡量節(jié)省系統(tǒng)用電的要求有直接的矛盾。美國國家半導(dǎo)體公司專有的智能型電荷共用技術(shù)不但可以降低功耗，而且又提高列驅(qū)動器的輸出性能。只要按照正確的方法使用，智能型電荷共用技術(shù)可將列驅(qū)動器的功耗減少達 40%，而且又可縮短輸出的穩(wěn)定時間。
（1） 智能型電荷共用技術(shù)的工作原理
智能型電荷共用技術(shù)的工作原理是它將儲存在薄膜晶體管（TFT）液晶顯示器（LCD）各行掃描線內(nèi)的能量重新分配，并且無需耗用電力便可驅(qū)動各行掃描線至其最終數(shù)值的一半。這種技術(shù)之所以能夠發(fā)揮這樣的成效，完全是因為每一相間有一半掃描線的電壓比VCOM高，而另一半掃描線的電壓比VCOM低。
圖4和圖5顯示了智能型電荷共用技術(shù)的基本工作過程。在這個示例之中，平板顯示器的每行掃描線可視為大約等于列驅(qū)動器的輸出放大器上的RC電路負載的總和。為方便進行量化分析，各行掃描線應(yīng)作為分散負載處理，由于現(xiàn)在只用作解釋電荷共用的工作原理，因此可當作相加負載處理。
圖4 在共用電荷之前瞬間的掃描線電壓
圖5 共用電荷時掃描線的電壓
圖4顯示了開始共用電荷之前瞬間的情況。每一相間掃描線的電壓分別處于VCOM之上及之下。列驅(qū)動器內(nèi)設(shè)有一系列的開關(guān)，可將所有掃描線連成短路。在共用電荷之前，所有開關(guān)都已開啟。
圖5顯示了共用電荷時的情況。輸出放大器已置于待機狀態(tài)（hi-Z模式），而此時開關(guān)器已全部關(guān)閉。電流按照箭頭所示的方向由電壓比VCOM高的掃描線流向電壓比VCOM低的掃描線。在共用電荷時，輸出放大器不會耗用電源。雖然開關(guān)再次開啟，但各行掃描線的電壓與VCOM相同。輸出放大器就在這一刻進入傳統(tǒng)驅(qū)動狀態(tài)。要注意的一點是，輸出只需將掃描線由VCOM驅(qū)動到最后階段的電壓，而非在整個電壓范圍內(nèi)從頭至尾驅(qū)動。
智能型電荷共用技術(shù)也設(shè)有監(jiān)控POL信號的監(jiān)控電路。各行掃描線只在POL信號進行切換時才以短路形式連在一起，顯示掃描線電壓正在改變其極性，并確保其極性與VCOM相反。以n線反相電路來說，并非每行掃描線都切換電壓。采用智能型電荷共用技術(shù)有助于提高電荷共用功能的效率。
（2） 智能型電荷共用技術(shù)與傳統(tǒng)驅(qū)動器之間的分別
采用智能型電荷共用技術(shù)的列驅(qū)動器的輸出波形從外形看與傳統(tǒng)列驅(qū)動器的輸出波形不同，圖6顯示了這兩種不同的輸出波形。以這兩種輸出波形來說，VHXX是上半部分（電壓比VCOM高)的輸出電壓，而VLXX是下半部分（電壓比VCOM低）的輸出電壓。圖6(a)所示波形是傳統(tǒng)驅(qū)動器的輸出波形。無論在電壓范圍內(nèi)的哪一位置，轉(zhuǎn)換率仍可保持相對穩(wěn)定。圖6(b)所示波形是采用智能型電荷共用技術(shù)的列驅(qū)動器的輸出波形。智能型電荷共用技術(shù)的波形可分為兩個部分，第一部分是電荷共用時的部分。這部分的轉(zhuǎn)換率一直很快，然后才穩(wěn)定下來，與VCOM電壓看齊。共用電荷完畢之后，輸出放大器進入傳統(tǒng)的驅(qū)動模式，（第二部分波形）其輸出波形與傳統(tǒng)驅(qū)動器的波形極為相似。
圖6 驅(qū)動器的輸出波形
智能型電荷共用技術(shù)與目前市場上的列驅(qū)動器所普遍采用的節(jié)能技術(shù)基本上完全不同。目前市場上很多列驅(qū)動器都有低功率模式可供選擇。以大部分應(yīng)用方案來說，這個模式可減低流入輸出放大器的偏壓電流，以便節(jié)省能源。但這樣始終會降低輸出的平均轉(zhuǎn)換率。對于負載較小及清晰度較低的小型平板顯示器來說，這個解決方案已相當不錯了。但轉(zhuǎn)換率一旦減慢，性能也會隨著降低，對于高清晰度、高負載的新一代平板顯示器來說，這樣便遠遠不能滿足要求。
智能型電荷共用技術(shù)不但可以節(jié)省能源，而且又可同時提高平板顯示器的平均轉(zhuǎn)換率，因為儲存在各行掃描線之內(nèi)的能量可以即時提供較大的電流，這是傳統(tǒng)放大器所無法做到的。由于美國國家半導(dǎo)體公司的列驅(qū)動器擁有這個優(yōu)點，因此它一方面可以支持更高的實際轉(zhuǎn)換率，另一方面又可降低功率。
（3） FPD33584及FPD33620的智能型電荷共用技術(shù)的應(yīng)用
為了充分發(fā)揮電荷共用技術(shù)的優(yōu)點，電荷共用時間的長短應(yīng)根據(jù)平板顯示器的負載大小而設(shè)定。RC電路負載較小的平板顯示器即使需要較少的共用電荷，可比RC 電路負載較大的平板顯示器節(jié)省更多的能源。美國國家半導(dǎo)體公司在設(shè)計FPD33584及FPD33620這兩款列驅(qū)動器時已充分考慮到電荷共用時間的長短，確保無需加設(shè)外置電路或添加輸入管腳也可控制時間長短。
對于大部分平板顯示器的負載來說，美國國家半導(dǎo)體公司一般會建議將電荷共用時間確定為500ns~1ms。以采用相當于50kΩ及150pF負載的平板顯示器為例來說，由于負載較大，因此可能需要較長的電荷共用時間才可節(jié)省更多電力及發(fā)揮更卓越的性能。
采用FPD33584及FPD33620時，可以利用兩種方法控制其電荷共用時間的長短�？梢酝ㄟ^CLK-SEL、TIME0及TIME1三個管腳確定選用哪一種控制方法，全部管腳都可在TCP或COF封裝之內(nèi)切斷聯(lián)系。
第一種方法是通過改變CLK1的脈沖寬度來控制電荷共用時間。對于那些需要能夠準確控制電荷共用時間的應(yīng)用來說，這是一個最理想的方法。以這個配置來說，電荷在CLK1的上升邊緣便開始共用，并在CLK1的下降邊緣終止共用。采用這個配置時，必須利用TCP或COF的連線將CLK1-SEL管腳的電位拉高。采用這個配置時，應(yīng)使TIME0及TIME1兩個管腳處于懸浮狀態(tài)。圖7顯示了以CLK1脈沖控制電荷共用時間時所出現(xiàn)的典型輸出波形。
圖7 利用CLK1脈沖控制電荷共用時間
第二種方法是利用某一指定數(shù)目的RSDSTM時鐘脈沖控制電荷共用時間。只要將CLK1-SEL管腳置于懸浮狀態(tài)或連接在較低電位上，便可啟動控制功能，控制電荷共用時間。TIME0及TIME1兩個管腳提供4個不同長度的電荷共用時間以供選擇。據(jù)表2所示，不同數(shù)值的TIME0及TIME1有各自不同的電荷共用時間。對于大部分應(yīng)用方案來說，美國國家半導(dǎo)體公司建議負載較小的平板顯示器或RSDSTM時鐘頻率較低的應(yīng)用方案也可采用[TIME1，TIME0]=[1，0]這個數(shù)值。128個RSDSTM時鐘周期只可用于負載極大的平板顯示器。以這個配置來說，電荷在CLK1的下降邊緣便開始共用，并在表2所列的RSDSTM時鐘周期內(nèi)繼續(xù)共用。圖8顯示了典型的輸出波形，其中tCS為表2中所列的時鐘周期數(shù)與PWRSDS值的乘積。
圖8 利用時鐘周期控制電荷共用時間
利用智能型電荷共用技術(shù)共用電荷時，轉(zhuǎn)換率一般會遠比所顯示的速率快。美國國家半導(dǎo)體公司專有的智能型電荷共用技術(shù)不但可以改善列驅(qū)動器的性能，而且也有助于減少系統(tǒng)的整體功耗。這種技術(shù)除了可以發(fā)揮更高性能之外，也可與市場上許多RSDS列驅(qū)動器的管腳兼容。
