一種樹狀背光均流方案的設(shè)計(jì)

鄧遠(yuǎn)釗

（廣州科技職業(yè)技術(shù)大學(xué)，廣東 廣州 510000）

1 引言

傳統(tǒng)的恒流均流輸出采用的是相同電流控制同規(guī)格三極管導(dǎo)通電流的形式。三極管均流方案的原理是，在給定的一個(gè)恒壓源情況下，利用恒壓源后的限流電阻及三極管基極與集電極之間的導(dǎo)通電阻RBE，產(chǎn)生一個(gè)恒定電流IBE，IBE會(huì)持續(xù)流經(jīng)三極管的基極與集電極之間。由于三極管工作在放大狀態(tài)下，發(fā)射極與集電極之間的電流ICE與IBE之間存在正比關(guān)系，具體公式為ICE=(1+β)×IBE。β為由三極管內(nèi)部特性決定，是一個(gè)固定不變的值。當(dāng)LED 多路同時(shí)輸出時(shí)，在每路輸出上分別接入一個(gè)同規(guī)格的三極管（即β與RBE相同）的集電極和發(fā)射極，并將所有三極管的發(fā)射極連接在一起，將同一恒壓源串聯(lián)同一限流電阻分別接入三極管的基極。此時(shí)，流經(jīng)每個(gè)三極管的IBE及ICE相同。而ICE即為流經(jīng)單路的LED電流。故每路LED電流相同，實(shí)現(xiàn)均流。

受生產(chǎn)工藝限制，同規(guī)格三極管在實(shí)際生產(chǎn)中，β及RBE仍然存在一定的數(shù)值差異，造成均流精度不足。三極管工作在放大狀態(tài)下，其β及RBE會(huì)受到器件溫度及環(huán)境溫度的影響，導(dǎo)致數(shù)值變動(dòng)，使得均流精度出現(xiàn)溫飄的情況。在實(shí)際工作過程中，會(huì)受到板卡走線的等效電阻的影響，從而引發(fā)經(jīng)過RBE后的電流到達(dá)Q1～QN 管后電流不均勻的問題[1]。本文設(shè)計(jì)了一種樹狀背光均流方案，一定程度解決了三極管受生產(chǎn)工藝限制形成的精度不足問題。

2 系統(tǒng)模型

整個(gè)系統(tǒng)分為以下幾個(gè)部分：

（1）電源供電模塊，為所有模塊提供電能。

（2）硬件模塊，此部分包含硬件核心控制器，是一個(gè)含有多個(gè)IO 口，可以擴(kuò)展外設(shè)的智能控制器。硬件模塊還包含屏幕顯示、USB、HDMI、VGA等多項(xiàng)驅(qū)動(dòng)功能[2]。

（3）恒流模塊，此部分主要是控制后級(jí)的LED等串總電流的恒定以及為LED提供電能。

（4）多路LED燈串，這部分由多路LED燈串組成。

（5）樹狀均流模塊，此部分用于使每一路的LED燈串的電流平均分配。

兩路的均流模塊是用一對MOS 管對組成，如圖1 所示，其中Q11 為N 溝道MOS 管，Q12 為P 溝道MOS 管。恒流模塊連接LED燈串1和LED燈串2第一顆LED燈的陽極；Q11 NMOS 管連接LED 燈串1 最后一顆LED 燈的陰極；Q12 PMOS管連接LED燈串2最后一顆LED燈的陰極；其他LED燈依次串聯(lián)。

圖1 兩路LED燈串均流示意圖

正常工作時(shí)，設(shè)恒流模塊給出的電流為Io。此時(shí)硬件核心控制器會(huì)同時(shí)給Q11MOS管和Q12MOS管一個(gè)頻率固定、占空比為50%的方波信號(hào)，由于Q11 為NMOS 管，Q12 為PMOS 管，因此當(dāng)方波信號(hào)為高電平的時(shí)候，Q11MOS 管導(dǎo)通，Q12MOS管截止，此時(shí)，LED燈串1形成通路，LED燈串1流過的電流為Io；當(dāng)方波信號(hào)為低電平的時(shí)候，Q11MOS 管截止，Q12MOS 管導(dǎo)通，LED 燈串2 形成通路，LED 燈串2 流過的電流為Io。因此從一個(gè)周期看，LED燈串1流過的平均電流為Io/2，LED 燈串2 流過的平均電流也為Io/2。這樣就實(shí)現(xiàn)了LED燈串1和LED燈串2的均流[3]。

若擴(kuò)展成多路，其結(jié)構(gòu)是在兩路LED燈串的基礎(chǔ)上多加了四個(gè)MOS 管，其中LED 燈串1 與Q11 的NMOS 管相連、LED 燈串2 與Q12 的PMOS 管相連、LED燈串3 與Q13 的NMOS 管相連、LED4 燈串與Q14 的PMOS 管相連。后級(jí)部分為Q11 與Q12 的源極與Q21 的NMOS 管的漏極相連；Q13與Q14 的源極與Q22 的PMOS 管的漏極相連。最后Q21 與Q22的源極一起連接到采樣電阻回到恒流模塊[4]。

硬件核心控制器需要給出2 路的PWM 驅(qū)動(dòng)信號(hào)，分別為驅(qū)動(dòng)信號(hào)1 和驅(qū)動(dòng)信號(hào)2。其中，驅(qū)動(dòng)信號(hào)1 連接到Q11、Q12、Q13、Q14MOS 管的柵極，用于驅(qū)動(dòng)4 個(gè)MOS 管。驅(qū)動(dòng)信號(hào)2連接到Q21、Q22MOS管的柵極，用于驅(qū)動(dòng)此2個(gè)MOS管。其中驅(qū)動(dòng)信號(hào)1 的周期為T，驅(qū)動(dòng)信號(hào)2 的周期為2T。也就是說，驅(qū)動(dòng)信號(hào)1 的頻率為驅(qū)動(dòng)信號(hào)的2 倍。若驅(qū)動(dòng)信號(hào)2 的頻率為f，那么驅(qū)動(dòng)信號(hào)1 的頻率即為2f。占空比方面，驅(qū)動(dòng)信號(hào)1與驅(qū)動(dòng)信號(hào)2的占空比均為50%。

3 樹狀背光均流控制過程

下面分析系統(tǒng)是如何實(shí)現(xiàn)4路均流的，同樣設(shè)定恒流模塊給出的電流為Io。

第一階段：驅(qū)動(dòng)信號(hào)1處于高電平，驅(qū)動(dòng)信號(hào)2也處于高電平，此時(shí)Q11、Q13 的NMOS 管導(dǎo)通，Q12、Q14 的PMOS 管截止。Q21 的NMOS 管導(dǎo)通，Q22的PMOS管截止。因此只有LED燈串1可以形成回路，那么此時(shí)流過LED燈串1的電流即為Io。

第二階段：驅(qū)動(dòng)信號(hào)1處于低電平，驅(qū)動(dòng)信號(hào)2仍為高電平，此時(shí)Q11、Q13 的NMOS 管截止，Q12、Q14 的PMOS 管導(dǎo)通。Q21 的NMOS 管導(dǎo)通，Q22的PMOS管截止。因此只要LED燈串2可以形成回路，此時(shí)流過LED燈串2的電流為Io。

第三階段：驅(qū)動(dòng)信號(hào)1變回高電平，驅(qū)動(dòng)信號(hào)2變成低電平，此時(shí)Q11、Q13 的NMOS 管導(dǎo)通，Q12、Q14 的PMOS 管截止。Q21 的NMOS 管截止，Q22的PMOS管導(dǎo)通。因此只要LED燈串3可以形成回路，此時(shí)流過LED燈串3的電流為Io。

第四階段：驅(qū)動(dòng)信號(hào)1處于低電平，驅(qū)動(dòng)信號(hào)2仍為低電平，此時(shí)Q11、Q13 的NMOS 管截止，Q12、Q14 的PMOS 管導(dǎo)通。Q21 的NMOS 管截止，Q22 的PMOS 管導(dǎo)通。因此只要LED燈串4可以形成回路，此時(shí)流過LED燈串4的電流為Io。

從上述結(jié)果可以看出，在周期2T時(shí)間內(nèi)，在它們各自形成回路的時(shí)間段內(nèi)每個(gè)LED燈串流過的電流均為Io，持續(xù)時(shí)間均為T/2。因此可以得到在2T時(shí)間內(nèi)，流過每路LED燈串的平均電流均為Io/4。這樣就實(shí)現(xiàn)了4路LED燈串的均流[5]。

4 仿真結(jié)果及其分析

仿真32 路背光均流，也就是有25 燈串，需要的MOS 管總數(shù)為62 個(gè)，其中PMOS 管31 個(gè)，NMOS 管31 個(gè)，需要驅(qū)動(dòng)信號(hào)個(gè)數(shù)為5個(gè)，驅(qū)動(dòng)信號(hào)1的頻率為16f，驅(qū)動(dòng)信號(hào)2的頻率為8f，驅(qū)動(dòng)信號(hào)3 的頻率為4f，驅(qū)動(dòng)信號(hào)4 的頻率為2f，驅(qū)動(dòng)信號(hào)5的頻率為f。利用上述樹狀分布可以實(shí)現(xiàn)32路LED燈串均流，其中每個(gè)燈串流過電流為Io/32，截取仿真后的前兩個(gè)均流電路驅(qū)動(dòng)信號(hào)如圖2所示，截取仿真后的母線電壓和3路電流如圖3所示。

圖2 LED均流電路驅(qū)動(dòng)信號(hào)示意圖

圖3 母線電壓和均流電流示意圖

對于2n燈串來說（n為大于1的正整數(shù)），可以用上述樹狀的MOS 管排布搭建電路，其控制方法也可以用上述方案推演。對于2n路燈串，需要的MOS管總數(shù)為2n+2n-1+……2=2n+1-2，其中PMOS和NMOS管個(gè)數(shù)分別為2n-1。所需的驅(qū)動(dòng)信號(hào)個(gè)數(shù)為2個(gè)，其中驅(qū)動(dòng)信號(hào)1的頻率為2n-1*f；驅(qū)動(dòng)信號(hào)n的頻率為f。所有驅(qū)動(dòng)信號(hào)的占空比均為50%。

本方案采用MOS 管進(jìn)行分段PWM 調(diào)光。利用精準(zhǔn)PWN 時(shí)序，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的PWM 調(diào)光。由于MOS 管工作在導(dǎo)通狀態(tài)下，無需利用三極管內(nèi)部放大特性，避免了在工作溫度差異下造成的恒流精度溫飄的情況。此外，利用多對控制對層疊控制，可以實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)2n均流控制。

5 結(jié)語

本文設(shè)計(jì)了一種樹狀背光均流方案，使用n個(gè)驅(qū)動(dòng)信號(hào)，就能實(shí)現(xiàn)2n路背光的均流。一方面解決了數(shù)字控制芯片I/O 口數(shù)量有限制的問題，另一方面避免了冗余的驅(qū)動(dòng)信號(hào)間產(chǎn)生的互相干擾。使用數(shù)字均流的方式取代傳統(tǒng)的模擬均流，使均流精度更高，避免因器件的誤差產(chǎn)生均流不均的問題，提高了系統(tǒng)的可靠性。驅(qū)動(dòng)信號(hào)由數(shù)字控制器發(fā)出，穩(wěn)定可靠，不會(huì)受PCB 走線及外界環(huán)境（例如溫度、濕度）對電流精度造成的影響，提高了系統(tǒng)均流的穩(wěn)定性。