淺談Led Driver電路的噪聲問題

盧佳惠，陳超平，阮永鑫，田 申，魏玉娜，姜 飛

（1.上海交通大學(xué) 電子工程系 智能顯示實驗室，上海 200240：2.昆山龍騰光電有限公司，昆山 215301）

隨著筆記本電腦（Notebook，NB）的普及，人們對NB擴(kuò)展功能的要求越來越高，其中包括無線局域網(wǎng)（Wireless Local Area Networks，WLAN）、無線廣域網(wǎng)（Wireless Wide Area Network，WWAN）功能，在顯示方面也要求能夠?qū)崿F(xiàn)自動調(diào)節(jié)背光亮度，這就需要液晶顯示模組具有很高的抗電磁干擾（Electro Magnetic Interference，EMI）能力。圖1為薄膜晶體管液晶顯示器（Thin film transistor-liquid crystal display，TFT-LCD）背光控制部分的基本結(jié)構(gòu)，其中PWMI（PWM Input）信號由系統(tǒng)控制并送入到時序控制器（Timing Controller，TCON），經(jīng)TCON處理后輸出脈沖寬度調(diào)制（Pulse Width Modulation，PWM）信號到背光驅(qū)動器（Led Driver），進(jìn)而動態(tài)調(diào)節(jié)背光亮度。

2 背光驅(qū)動模塊電流反饋原理

如圖2，在正常狀態(tài)下，輸入電源在Led Driver內(nèi)部的開關(guān)控制下，向電感充放電，使Led Driver的輸出電壓（LED_VOUT）達(dá)到燈串的工作電壓，從而點亮LED燈串。同時LED電流會反饋給Led Driver，Led Driver偵測燈串工作狀態(tài)后再繼續(xù)控制LED_VOUT輸出。當(dāng)反饋異常時，Led Driver啟動自保護(hù)，停止向電感充放電。

圖1 TFT-LCD模組-背光驅(qū)動架構(gòu)

圖2 Led Driver電流反饋部分示意圖

3 分析噪聲產(chǎn)生的原因及解決方案

3.1 電磁干擾及改善

PWM是利用微處理器輸出的數(shù)字信號來對模擬電路進(jìn)行控制的一種技術(shù)，通過改變方波信號的占空比改變流過Led的電流，達(dá)到控制背光亮度變化的效果。TFT-LCD模組的Led電流變化受PWM輸入頻率調(diào)控，PWM頻率通常在100Hz～30kHz。

上圖2的Led Driver電流反饋部分電路被應(yīng)用在一款13.3 inch的筆記本電腦模組電路中，PWM頻率為3.78kHz。通常為了濾波需要，會在C1、C2、C3、C4處放置對地電容，設(shè)計初期電容容值均為33pF。

在分析噪聲的過程中，測試LED_VOUT和FB_LED的電壓波形，如圖3所示，可以明顯觀察到FB_LED上升時間很快，約30us，高速變化的交流信號會產(chǎn)生電磁干擾。

圖3 FB（PWM占空比1%，電容33pF）電壓波形

圖4 FB（PWM占空比1%， 電容0.1uF）電壓波形

為改善電磁兼容（Electro Magnetic Compatibility，EMC），嘗試對FB_LED信號進(jìn)行處理，通過將C1、C2、C3、C4處電容增加到0.1uF，觀察此時的FB_LED波形，上升時間變緩慢（如圖4），約264us，其中VOUT_LED交流幅值約1.60V，F(xiàn)B_LED幅值約3.16V。

從WWAN測試的結(jié)果（表1），及RF測試結(jié)果（如圖5）來看，反饋（Feedback，F(xiàn)B）處對地電容為0.1uF時，信號干擾可以得到改善。

圖5 模組在不同狀態(tài)下RF Noise對比

3.2 音頻噪聲原因及改善

在FB處電容改為0.1uF時，出現(xiàn)了音頻噪聲，尤其當(dāng)PWM占空比調(diào)到1%時，印刷電路板（Printed Circuit Board Assembly，PCBA）上發(fā)出了刺耳的蜂鳴聲，聲音位置在Led Driver反饋處。分析原因為圖4中波形上升時間緩慢造成諧波振蕩，和常規(guī)的音頻信號的波形類似，如圖6是聲音信號經(jīng)放大器放大后的電壓波形。模組電路中若出現(xiàn)類似波形，且頻率在人耳識別范圍內(nèi)，會產(chǎn)生人耳可察覺的音頻噪聲。

為減少EMI干擾的風(fēng)險，不能去掉FB處的0.1uF電容；除此之外，可以增大FB處諧波的頻率，避開人耳敏感頻段（300Hz～6KHz）。由于PWM是TCON輸出到Led Driver中的，通過修改TCON內(nèi)部寄存器設(shè)置，可更改PWM輸出頻率。

結(jié)合人耳的聽覺響應(yīng)，在十分安靜的情況下，人在某個頻率剛能聽到的最小聲強(qiáng)的聲音為聽閾，而引起聽覺疼痛的聲音為痛閾，在這兩者之間即為人的聽覺響應(yīng)范圍，又稱聽域。可聽聲頻率范圍為20Hz～2kHz，但人耳對300～6kHz左右的頻段特別敏感。修改TCON Code，將PWM頻率設(shè)置到20kHz后，人耳未聽到噪音，同時測量噪聲，數(shù)據(jù)結(jié)果Pass。

圖6 正常音頻信號波形

4 結(jié)束語

經(jīng)過解析，由電磁干擾產(chǎn)生的LED Driver噪聲雖然可以通過調(diào)整電容容值改善，但同時也會帶來音頻噪聲，改變PWM頻率使FB的波形避開人耳敏感的頻率區(qū)間可以解決以上兩種噪聲。因此在設(shè)計Led Driver電路部分時，應(yīng)充分考慮到FB產(chǎn)生諧波振蕩的影響。結(jié)合客戶提供的PWM信號頻率和Led Driver規(guī)格要求，選取合適的電容容值，并在TFTLCD上通過測量FB的方法具體驗證。

[1] 蔡世彥.聲壓與聲壓級—噪聲小知識.工程機(jī)械》，1984（7）：30.