基于高清LED背光芯片SY7732的應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)

林建宇

(上海電力學(xué)院 電子與信息工程學(xué)院, 上海 200090)

高清背光發(fā)光二極管(Lighting Emitting Diode,LED)芯片是背光驅(qū)動(dòng)電路的重要部分。SY7732高清LED背光芯片不僅能夠在寬輸入比時(shí)穩(wěn)定地控制輸出電流,而且具備低功耗和多種保護(hù)功能。

LED背光是指以LED作為顯示器的背光源,組成陣列的LED直接發(fā)出光線而形成彩色畫面。LED背光源是由眾多柵格狀的半導(dǎo)體組成,實(shí)現(xiàn)了光源的平面化。這樣的設(shè)計(jì)不但具有優(yōu)異的亮度均勻性,不需要復(fù)雜的光路設(shè)計(jì),還具有厚度更薄、可靠性和穩(wěn)定性更高等優(yōu)點(diǎn)。LED背光技術(shù)有側(cè)入式和直下式兩種,它們各有優(yōu)缺點(diǎn)。脈沖寬度調(diào)制(Pulse Width Modulation,PWM)調(diào)光可以在極短的時(shí)間內(nèi)通過(guò)反復(fù)開關(guān)LED來(lái)改變輸出平均電流,從而調(diào)節(jié)屏幕的亮度。目前市場(chǎng)上廣泛采用PWM調(diào)光的原因是其易于實(shí)現(xiàn),生產(chǎn)成本較低。

1 高清LED背光芯片SY7732系統(tǒng)的原理與電路設(shè)計(jì)

目前,8-bit/1 600萬(wàn)色,1 366×768(HD)分辨率,60 Hz刷新率是市場(chǎng)上高清LED背光顯示屏的主流產(chǎn)品,也是各大高清LED電視背光屏廠商研發(fā)的目標(biāo)。由于LED背光芯片直接影響顯示屏的輸出性能和特性,因此LED背光驅(qū)動(dòng)電路[1-3]是高清LED背光屏驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)中最重要的電路單元。LED背光芯片需要具備驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)、調(diào)光性高、功耗低、集成度高、成本低等特點(diǎn)。

本次高清背光應(yīng)用系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)主要包含驅(qū)動(dòng)電路、調(diào)光電路、SY8205 DC-DC降壓電路3部分。其工作原理如圖1所示。

圖1 背光LED應(yīng)用系統(tǒng)的工作原理示意

1.1 背光驅(qū)動(dòng)芯片SY7732的工作原理

Silergy半導(dǎo)體公司新推出的一款模-數(shù)混合型LED背光驅(qū)動(dòng)芯片SY7732[4],適用于中型和大型的液晶背光顯示屏。結(jié)合外部功率器件,能夠驅(qū)動(dòng)并控制16路高精密度白色LED負(fù)載,并可對(duì)每一路LED單獨(dú)調(diào)光。芯片的16路灌電流通道提供恒定電流來(lái)驅(qū)動(dòng)LED負(fù)載。每一路LED負(fù)載的數(shù)量?jī)H受限于外部功率器件的額定值。芯片SY7732兼容SPI協(xié)議總線。其內(nèi)部提供脈沖寬度調(diào)制比調(diào)光模式和模擬調(diào)光模式。背光驅(qū)動(dòng)芯片SY7732主要管腳功能如表1所示[4]。

表1 背光驅(qū)動(dòng)芯片SY7732的主要管腳功能

芯片SY7732配置了八位字節(jié)接口來(lái)實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)SPI總線互連,并包含以下4個(gè)信號(hào)線:SCLK為同步時(shí)鐘;CSB為片選信號(hào),低電平有效;MOSI為SPI數(shù)據(jù)輸出,負(fù)責(zé)向芯片寫入操作;MISO為SPI數(shù)據(jù)輸入,從芯片讀取操作。

在芯片標(biāo)準(zhǔn)工作時(shí),SPI接口接收控制單元外部SPI信號(hào)數(shù)據(jù),并傳輸至芯片的寄存器,完成輸出電流設(shè)置、脈沖寬度調(diào)制占空比等功能。在使用SPI總線編程13位PWM調(diào)光占空比時(shí),其占空比對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 PWM占空比與芯片SY7732寄存器數(shù)值的數(shù)據(jù)關(guān)系

1.2 基于芯片SY7732的驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)16路背光LED負(fù)載并完成調(diào)光測(cè)試,設(shè)計(jì)了基于芯片SY7732的驅(qū)動(dòng)電路,包括:每一路作為開關(guān)的功率場(chǎng)效應(yīng)管、作為反饋采樣的采樣電阻,以及為引腳提供充電和濾波的電容。根據(jù)計(jì)算公式和實(shí)際要求,完成器件選型和電路設(shè)計(jì)。

驅(qū)動(dòng)電路的工作原理如圖2所示[5]。

圖2 基于芯片SY7732的背光驅(qū)動(dòng)電路工作原理

外部電壓32 V經(jīng)過(guò)DC-DC降壓后為L(zhǎng)ED提供25 V輸入電壓,通過(guò)分壓電阻RFB來(lái)采樣輸出電壓,并反饋至芯片SY7732的FB1引腳。16路LED背光負(fù)載對(duì)應(yīng)16個(gè)作為開關(guān)的功率MOS管,MOS管的漏極(D[1～16])、門極(G[1～16])、源極(S[1～16])都連接至芯片SY7732對(duì)應(yīng)的引腳上,通過(guò)芯片內(nèi)部的比較器來(lái)檢測(cè)MOS管三極的電壓,源極到地之間串聯(lián)采樣電阻(Rsense[1～16]),以檢測(cè)輸出電流。PWM信號(hào)按照占空比來(lái)調(diào)節(jié)門極和源極間的電壓UGS的值,實(shí)現(xiàn)MOS管的開斷,改變輸出的平均電流,從而改變LED背光的亮度。

芯片SY7732的典型應(yīng)用是在42英寸LCD顯示屏中的LED背光,其具有以下要求:芯片SY7732輸入電壓Uin為12 V±20%;16路輸出,每路10顆背光燈珠;每顆背光燈珠的電壓為1.8 V±200 mV;芯片SY7732的DC-DC反饋引腳的電壓UFB為5 V。

設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)電路時(shí),應(yīng)確定驅(qū)動(dòng)LED所需的DC-DC輸出電壓的范圍。在上述情況下,LED的輸出電壓Uout=3.5 V±200 mV,一行10顆背光燈珠所需的最大正向電壓約為(1.8 V+200 mV)×10=20 V,如果保留20%的余量,則最大DC-DC輸出電壓約為25 V。一行10個(gè)背光燈珠所需的最小正向電壓約為(1.8 V-200 mV)×10=16 V,如果保留10%的余量,則最小DC-DC輸出電壓大約為15 V。因此,DC-DC輸出電壓的范圍是15～25 V。

1.3 DC-DC降壓電路設(shè)計(jì)

降壓電路模塊主要采用SY8205FC DC-DC芯片,完成32 V輸入電壓降壓為15～25V輸出電壓的過(guò)程。

芯片SY8205是一種同步降壓調(diào)節(jié)器集成電路。它將PWM控制、頂部和底部開關(guān)集成在一起,使開關(guān)轉(zhuǎn)換損耗和導(dǎo)通損耗最小化。通過(guò)電源開關(guān)和專有的PWM控制,可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)最高的效率和最高的開關(guān)頻率,使外部電感和電容最小化,從而實(shí)現(xiàn)最小的占用空間。芯片SY8205提供逐周期限流和熱關(guān)斷保護(hù)等保護(hù)功能,還可檢測(cè)故障保護(hù)的輸出電壓條件。

2 芯片SY7732的背光性能測(cè)試

2.1 輸出電流調(diào)光線性度

對(duì)于脈沖寬度調(diào)制比調(diào)光來(lái)說(shuō),隨著PWM占空比的變化,理想輸出電流也會(huì)按照等比例隨之變化。但在實(shí)際情況下,輸出紋波電流、LED溫升漂移等因素會(huì)造成輸出電流的變化比例存在誤差。調(diào)光線性度反映了一個(gè)背光驅(qū)動(dòng)芯片調(diào)光水平的精確性。芯片的調(diào)光線性度越好,說(shuō)明輸出電流和占空比的比值越趨近于定值。

在已經(jīng)搭好外圍電路且芯片SY7732正常工作的情況下,每一路輸出上串聯(lián)一個(gè)電流表,記錄輸出電流Iout。通過(guò)SPI總線向?qū)?yīng)的寄存器地址位寫入數(shù)據(jù),改變PWM占空比,每次步長(zhǎng)為1%,范圍為0.1%～100%,記錄輸出電流的值,并繪制出曲線擬合斜率,如圖3所示。

圖3 輸出電流調(diào)光線性度的測(cè)試結(jié)果

通過(guò)Original 8.0將Iled1實(shí)際輸出電流值曲線擬合出斜率,其擬合公式為k=ΔIout/Δduty,其中Δduty為占空比增量。

調(diào)光線性度的計(jì)算公式為

(1)

式中:kLED——輸出電流的測(cè)量斜率;

kidol——理想情況下的斜率。

經(jīng)計(jì)算,輸出電流調(diào)光線性度為0.47%,小于經(jīng)驗(yàn)值0.5%。這說(shuō)明實(shí)際輸出電流與理想輸出電流的偏差很小,芯片SY7732高清LED背光驅(qū)動(dòng)應(yīng)用系統(tǒng)具有很高的調(diào)光精度,能夠精確地按照PWM占空比來(lái)調(diào)整輸出電流。

2.2 背光效率

16路LED背光驅(qū)動(dòng)的效率計(jì)算公式為

(2)

式中:Iin——輸入電流;

ILEDn——第n路LED的輸出電流;

Uoutn——第n路LED的輸出電壓。

開啟已經(jīng)搭設(shè)好的應(yīng)用板,點(diǎn)亮外部LED負(fù)載。使用SPI總線改變PWM占空比范圍為1%～100%,取7組數(shù)據(jù)。使用萬(wàn)用表測(cè)量每一路的輸出電壓,并記錄輸入電壓Uin,輸入電流Iin,總輸出電壓Uout和總輸出電流ILED的數(shù)值。測(cè)量和計(jì)算結(jié)果分別如表3所示。

由表3可以看出,芯片SY7732的效率Efficiency在重載(PWM占空比在25%～100%)時(shí)可達(dá)到98%以上,輕載(PWM占空比在10%以下)時(shí)可達(dá)到95%以上。這說(shuō)明芯片SY7732的靜態(tài)損耗較低,并具有良好的轉(zhuǎn)換效率。

表3 16路LED背光驅(qū)動(dòng)的測(cè)試數(shù)據(jù)和效率

2.3 電流匹配性

電流匹配性的定義為:在多路輸出的LED中,每一路的輸出電流與其他路輸出電流的相差性。對(duì)于多個(gè)調(diào)光占空比相同的LED來(lái)說(shuō),電流匹配性越高,說(shuō)明這一路與其他路的輸出電流相差就越小,色差越小,視覺(jué)效果越好,背光芯片對(duì)輸出的補(bǔ)償損耗就越小。對(duì)于芯片SY7732的16路輸出電流來(lái)說(shuō),電流匹配性為輸出電流最大值和最小值的相差值與輸出電流平均值的比值。其計(jì)算公式為

(2)

根據(jù)測(cè)量數(shù)據(jù)和電流匹配性公式,得出電流匹配性的性能測(cè)試結(jié)果如表4所示。

表4 電流匹配性的測(cè)試結(jié)果

由表4可知:在PWM占空比為1%～100%時(shí),電流匹配性小于0.9%;在PWM占空比為5%～100%時(shí),電流匹配性小于經(jīng)驗(yàn)值0.6%。說(shuō)明在多路輸出相同時(shí),芯片SY7732可以均勻分配每一路輸出電流,每一路與其他路的輸出電流相差很小,LED背光色感偏差小?？傮w上,隨著PWM占空比的增大,電流匹配性的值越小,電流匹配性越好,LED背光色感偏差越小。

綜上所述,通過(guò)使用SPI通信總線控制芯片SY7732的PWM調(diào)光,芯片SY7732的調(diào)光線性度小于0.5%的經(jīng)驗(yàn)值,具有很高的調(diào)光精度,能夠精確地按照PWM占空比來(lái)調(diào)整輸出電流;芯片SY7732的效率在重載時(shí)可達(dá)到98%,輕載時(shí)可達(dá)到95%,靜態(tài)損耗和熱功耗非常低,具有良好的轉(zhuǎn)換效率;芯片SY7732的電流匹配性小于經(jīng)驗(yàn)值0.6%,在多路輸出調(diào)光比相同時(shí),每一路的輸出電流均勻分配總電流,LED色感偏差非常小。在多路輸出調(diào)光不同時(shí),能夠?qū)γ恳宦份敵龆歼M(jìn)行精確且不同的調(diào)整。

3 結(jié) 語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了基于SY7732高清背光LED芯片的應(yīng)用系統(tǒng),使用SPI總線控制芯片SY7732的PWM調(diào)光功能,實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)定的驅(qū)動(dòng)功率MOS管和控制輸出電流。在背光特性方面,它能精確地按照調(diào)光占空比對(duì)輸出信號(hào)進(jìn)行調(diào)光,多通道輸出時(shí)能實(shí)現(xiàn)每個(gè)通道的電流平均分配和高背光效率。因此,此應(yīng)用系統(tǒng)能完成調(diào)光線性度、背光效率和電流匹配性功能,具有一定的實(shí)用價(jià)值。