液晶顯示器的LED背光驅動控制設計方案介紹

相對傳統的CCFL 液晶顯示器背光源存在色階差、色純度低、需高壓驅動導致功耗大、屏厚度大等缺點而言，LED 背光源以其功耗低、壽命長、更環保、屏厚度低等優點在民用和軍用顯示產品上得到更多應用。尤其是它超強的色彩表現力更是CCFL 背光源遠不及的， 其色彩飽和度達到甚至超過Adobe RGB 和NTSC 色彩標準要求， 可以達到NTSC ratio100%以上平面光源特性， 而CCFL 背光只能實現NTSC 色彩區域的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，LED 顯示屏的單個元素反應速度是CCFL 背光液晶屏的1 000 倍，即使是在強光下也可以照看不誤，并且適應零下40 ℃的低溫。

隨著LED 背光源越來越廣泛地應用，其驅動電路的良好設計也就顯得格外重要。對于普通的小型液晶顯示器而言，通常只要幾個LED 燈便可滿足其顯示要求，因此對驅動電路的要求也較低。對于中大型液晶顯示器而言，常需要幾十、上百個的LED 燈，對電路驅動能力的設計要求就更高。筆者介紹的基于LT3599 LED 背光源驅動控制電路， 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動）。此電路經測試和試驗驗證，能滿足各種常規中大型液晶顯示器的背光驅動控制電路的要求。

1 LT3599 簡介

LT3599 是一款真彩色PWM 脈寬調控的DC/DC 轉換器，它的占空比高達3 000:1， 帶有4 路LED 驅動， 每路可驅動120 mA 電流，且每路的電流大小均可編程控制和獨立開關。

它能適應3.1 V～30 VDC 的寬輸入電壓范圍， 輸出電壓高達44 VDC，開關頻率范圍為200 kHz～2.1 MHz，同步時鐘的選擇靈活———即可接外部時鐘也可用自帶同步時鐘。

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

2 電路的總體設計

整個驅動控制電路的整體構成框圖如圖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 內部是升壓電路， 將輸入的電壓在FPGA 模塊的控制下轉換成LED 燈組所需的穩定電流和電壓，從而實現亮度、對比度調節，提供給液晶屏穩定均勻的背光源。

圖1 驅動控制電路系統框圖

2.1 多路電源輸出模塊的設計

設計時選用了日本COSEL 公司的CBS502424、CBS502403集成電源塊，設計成可調穩壓電路。外部電源只有一路（+28VDC）輸入，經內部的整流、濾波、電壓轉換和穩壓處理后，轉換輸出給FPGA 模塊以及LT3599 控制模塊所需要的+5VDC、+3.3 V 和+24 VDC 等多路電壓。

2.2 LT3599 控制模塊的設計

LT3599 有2 種封裝：28 個管腳的封裝和32 個管腳的封裝，其中32 個管腳的封裝是熱控增強型封裝，對于高亮及中大型液晶屏來說， 選擇32 個管腳的熱控增強型封裝設計電路更穩定可靠。其典型控制電路如圖2 所示。

圖2 LT3599 典型應用電路

2.2.1 輸出LED 驅動電流大小的設計

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 驅動電流大小的具體計算方法為：

LT3599 通過PWM 脈寬調控來改變其輸出給的LED 電流值大小，從而改變LED 的亮度，實現對液晶顯示器亮度和對比度的調節。PWM 脈寬與LED 電流的關系曲線圖如圖3所示。

圖3 PWM 脈寬時序與LED 電流關系圖

2.2.2 開關頻率的設計

LT3599 有很寬的工作開關頻率，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值與開關頻率大小的關系圖如圖4 所示。

圖4 開關頻率與管腳RT所接電阻值關系曲線圖

要想設計出最適合的電路開關頻率，需綜合考慮幾個方面：

1）開關頻率越高則電感值越小，高頻開關損耗也就越??；

2）對于低壓驅動多個LED 燈的情況，需盡量設置低的開關頻率；

3）設計時需考慮總電壓功率的損耗。

4）LT3599 內部的同步時鐘頻率在240 kHz～1.5 MHz 之間，對于啟用了LT3599 內部SYNC 同步時鐘頻率的電路，電路的開關頻率設計時需低于LT3599 內部同步頻率的20%，否則會導致電路工作不穩定。

2.2.3 輸出LED 所需電壓的設計

LT3599 輸出電壓的大小通過設置電阻R10、R11的值來確定，計算公式為：

為了確保電路長期使用的可靠性和輸出效率，設計時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4.7～10 μF 的電容。

另外需注意，Vout 管腳處所接肖特基穩壓管允許通過的平均電流需大于LED 驅動電流，此肖特基穩壓管的最大反向電壓還需大于LT3599 輸出電壓Vout。

2.2.4 保護電路的設計

1）過壓保護的設計：通過FB 管腳設計電壓反饋環路從而實現過壓保護功能。FB 腳參考電壓為1.233 V， 具體的保護電路設計如圖5 所示。

圖5 用FB 管腳設計過壓保護電路

2）熱保護電路的設計：用VREF、TSET管腳設計熱保護電路。

預先設定一個LT3599 內部極限保護溫度，當LT3599 芯片溫度超過這個值時LT3599 輸出給LED 燈的電流就自動降低，從而使芯片的溫度慢慢降低。LT3599 內部設定給VREF的參考電壓時1.227 V，VREF最大輸出100 μA 電流。具體的電路設計如圖6 所示，LT3599 內部最大控制節點的溫度值與電阻R1、R2的選擇對應關系如表1 所示。

圖6 用TSET管腳設計溫度保護電路

表1 LT3599芯片內部最大節點控制溫度與電阻R1、R2的對應關系

3）欠壓保護電路的設計：通過管腳設計欠壓保護電路。為了避免電路在超低電壓下工作導致出現不穩定狀況，當此管腳電壓低于1.4 V 時LT3599 會自鎖。LT3599的關斷電壓和接通電壓可分別通過式（3）和式（4）計算而得：

當管腳電壓低于1.4 V 或者VIN管腳電壓低于2.7 V 時，欠壓保護就會關閉整個LT3599 電路，避免電路工作在不穩定狀態。具體的電路設計如圖7 所示。

圖7 欠壓自鎖控制電路

4）FPGA 模塊通過SS 管腳設計軟啟動開關鎖，避免當電路由關斷或自鎖狀態恢復正常工作時，受到較大的瞬時浪涌電流或過沖電壓的影響。采用軟啟動來恢復工作時，電路的開關頻率會自動降低，以保護電路免受大電流損壞。當VIN《2.7 V 或《1.4 V 時，LT3599 電路會立即自動全部關斷，并通過SS 管腳設置了軟啟動鎖， 防止電路誤啟動。只有當“VIN》2.7 V、》1.4 V、PWM》1 V、SS《0.25 V” 這4個條件同時具備后，由SS 管腳設置的軟啟動鎖才會解開，此時內部輸出11 μA 的電流來控制恢復過程中的電流和電壓上升速率。上升速率的快慢與SS 管腳所接電容Css 容量大小有關，具體可由式（5）計算可知，其中Iss 典型值為11 μA。

通過SS 管腳設置軟啟動開關鎖的控制時序圖如圖8 所示。

圖8 軟開關控制啟動時序圖

2.3 FPGA 可編程控制模塊的設計

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

在設計FPGA對LT3599 的控制功能時，充分利用其內部可進行靈活設計的特性。首先檢測視屏驅動板輸出給顯示屏的視頻信號，識別出非標準信號，必要時FPGA 內部產生標準視屏信號，然后對行場同步信號進行數字濾波、時鐘鎖相，解決因長距離傳輸導致信號出現衰減失真以及電磁干擾等現象，再將RGB 信號按照預定的曲線進行Gamma 和對比度調節。

在進行視屏信號檢測時， 用板卡上的系統時鐘對輸入HS、VS 等信號的上升沿或下降沿進行計數，如果在設定時間內檢測到邊沿次數大于某一個限值則表示有信號輸入，否則為無信號輸入。這種方法輸入信號的格式范圍寬、可實現性強。

在進行Gamma、對比度調節時，FPGA 采用的是通過PC機查表方式，即對每一個輸入給出一個確切的輸出值，此值預先根據一定的算法計算好、使用C 語言程序編程設定，然后將相關數據加到FPGA 工程代碼中。通過預先設定好的通信方式， 在需要進行調整時， 將要調整到的信息發送給FPGA，FPGA 根據設定好的等級選擇輸出不同的值， 以完成相應的調整功能。

數字濾波采用的是對FPGA 內部的電平調節的方式，因為HS、VS 等信號上出現的不正常電磁干擾信號一般脈寬很窄，而HS、VS、DE 的脈寬較寬，因此，只要能夠消除非正常脈沖，就可以保證畫面穩定正常顯示。關于數字濾波解決EMC電磁干擾的時序圖如圖9 所示。

圖9 數字濾波時序圖

2.4 LED 燈組

由于LED 的亮度是由通過其內部的電流決定的，因此進行LED 燈布局時， 一方面要考慮到整個液晶屏的亮度均勻性，另一方面要減小電路微小電壓波動給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光式，LED 燈組可采用串聯和并聯相結合的方式。對于大尺寸液晶屏來說背光源一般采用直下式，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，能更好地實現對LED 燈的保護且提高亮度的均勻性。

3 結束語

本文所介紹的LED 背光驅動電路， 其電路效率可達90%以上。該電路設計上各相關參數都可以精確計算和控制，電路的保護措施齊全、控制效果好、抗干擾能力強，并且可以根據所需背光亮度和屏的大小靈活組合使用。經試驗以及使用測試驗證，是一款較理想的驅動控制電路。