近年來，隨著液晶顯示器(LCD)相關技術的快速發展，使得液晶顯示器已廣泛的應用在各領域中。與傳統的陰極射線管(CRT)顯示器比較起來，雖然液晶顯示器在動態響應等方面尚無法與陰極射線管顯示器相匹敵，但其具有體積小、重量輕、低耗電量、低輻射、畫面無閃爍等優點，已使得液晶顯示器逐漸地取代傳統的陰極射線管顯示器成為現今當紅的平面顯示器(FPD)。
舊有液晶顯示器的背光源多是使用冷陰極螢光燈(CCFL)，但面對全球環保議題的上升，以及歐盟電子電機設備中危害物質禁用指令(RoHS)的推出，全球LCD面板廠積極尋求CCFL的替代方案。
與CCFL背光源相比，白色發光二極體(LED)除了不含汞而較為環保之外，還具有體積小、壽命長、響應速度快等優點。LED正因為具有這些優勢，愈來愈多的廠商開始研製以LED為背光源，目前在智慧型手機等小尺寸的顯示器上，LED基本上已經取代CCFL，而在筆記型電腦等中大尺寸的顯示器上使用LED為背光源也是必然的趨勢。有鑑於此，本文將提供設計者使用LED為背光源的使用方案。
LED驅動電路要求高
LED是一種半導體元件，一般在市面上販售的LED，已經是廠商按照波長或亮度等特性篩選分類過的。由於LED導通時的電流變化率遠大於順向導通電壓的變化率，所以測試其特性及分類時，大多基於一個額定電流值如20毫安培(mA)或300毫安培，再給出順向導通電壓的變化範圍。這樣的目的就是要獲得期望的亮度要求，在相同的驅動電流下，得到每顆LED亮度、色度的一致性。並且為保證元件可靠性，驅動LED的電流必須低於LED額定值的要求。同時，當周圍環境溫度提升時，所允許的額定電流會降低。由此可見，用LED為顯示器背光源時，須要對其驅動在固定電流下，以避免驅動電流超出最大額定值，影響其可靠度。
大多數出售的LED在額定電流值附近區域，其光學特性會很一致。但在距離額定電流值較遠的區域，即使用相同的驅動電流，LED之間的特性也會出現較大的偏離。需要較低亮度時，一般會直接減少通過LED的電流，但是這樣LED之間的亮度可能會存在很大的差異。例如，如果同樣用10毫安培的電流驅動兩個額定值為35毫安培的LED，其整體亮度會減少，並且兩顆LED之間的亮度差異也會增加許多。
若應用在筆記型電腦之類的中大尺寸LCD背光中需要幾十甚至上百顆高亮度LED同時點亮，如果其流過LED的電流偏離額定值太多，即使流過每顆LED的電流是一樣的，也會出現亮度不均勻的情況。
所以實際運用時，一般採用脈衝寬度調變(PWM)調光來解決這個問題，以確保LED間的亮度一致性。而且在中大尺寸LCD面板下，大多為多串的LED陣列，此時每一串LED的電流一致性就非常重要，所以均流設計也是一般驅動電路所必須考量的。
傳統LED驅動電路問題不少
圖1所示為傳統驅動中小型LCD背光源的LED應用電路，可以應用在個人數位助理(PDA)、數位相機或汽車衛星導航。以沛亨半導體所推出的AIC1634為例，此為升壓式轉換器(Boost Converter)來提供一順向電流驅動LED。LED本身具有電流驅動的特性，其亮度與順向電流的大小有相依關係，因此驅動電路中利用電流偵測電阻來調節所需的LED順向電流大小，以達到所需求的亮度。
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| 圖1 傳統LED驅動電路 |
對於升壓式的驅動電路，當LED故障時，則電路的輸出端呈現開路，會使得流過電流偵測電阻的電流為零，即迴授電壓為零。
這將會導致升壓式轉換器的功率開關工作在最大工作週期(Duty Cycle)，產生很高的輸出電壓，可能會超過功率開關或蕭特基二極體(Schottky Diode)的最高耐壓，造成功率開關或蕭特基二極體損毀。
為避免此一現象，於輸出端連接一個齊納二極體(Zener Diode)來限制最高的輸出電壓，避免功率開關或蕭特基二極體毀壞。
不過，此驅動電路有一些缺點，由於驅動電流由外部電流偵測電阻設定，每一串的電流可能會有不平均的狀況，會使得LCD亮度感受不均勻。並且調光方式是利用SHDN Pin給予訊號調整流過LED的平均電流，其調光可接受的訊號頻率範圍較窄，大約為0.1k～2kHz。
此外，由於沒有獨立的電流控制源(Current Source)，所以若主電流串的LED發生故障時，其他串的LED也就無法點亮，並且無從判斷LED為Open或Short的機制。
新LED背光源驅動更趨完善
為了改善上述傳統的LED驅動電路的一些缺點，而且較大尺寸面板串並LED的數量會更多，如筆記型電腦及可攜式DVD，因此推出更為完善的LED背光源驅動電路。
以下將以沛亨半導體所推出的AIC3646為例，介紹一個以LED為背光源的驅動電路。
應用電路支援PWM調光
圖2為AIC3646中以十串八並LED陣列的驅動電路。AIC3646包含一組可調頻率、高效率的升壓式轉換器，其中控制方式為電流模式的脈衝寬度調變(Current-Mode Pulse-Width-Modulation)，操作頻率為500k～1.5MHz，效率高達90%以上。內部有獨立的Current Source來控制LED的順向電流，並且可以由外部設定流過LED順向電流，同時支援較寬廣頻率範圍的PWM調光。
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| 圖2 AIC3646應用電路 |
IC功能應用層面廣泛
IC功能及使用介紹可從均流設計、可調開關頻率、LED電流設定、調光控制等方面來加以探討。
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AIC3646內建獨立的LED電流控制源，使得各串LED流過的電流都有一個與LED串聯的控制源來控制。LED組共用的總輸出電壓與各串LED實際的順向導通電壓的差即由各串的控制源來承擔，從而做到流過每一串LED的電流一致性。AIC3646可以做到LED串與串間的電流誤差在3%(Typ.)。 |
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AIC3646內建的升壓轉換器可由外部電阻來設定開關的操作頻率。如下列方程式所示：
AIC3646可以允許操作頻率範圍從500k～1.5MHz。較高的操作的頻率下，可以讓外部電感元件體積較小，但也會使得切換損失(Switching Loss)較大，而導致效率降低。若是使用較低的操作頻率，可以讓效率較高，但須要使用體積較大的外部元件。 |
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AIC3646可由外部電阻來設定流過LED的電流，如下列方程式所示：
為了防止外部元件在焊接時可能發生短路的意外，AIC3646內部設定最高的LED導通電流為60毫安培。 |
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一般LED的驅動IC調光方式多以PWM訊號來完成。相對於模擬調光中直接控制流過LED的電流，PWM調光可以做到流過LED的電流保持在額定值，利用控制LED點亮或熄滅的工作週期比例來調節亮度。AIC3646提供寬廣的PWM訊號頻率範圍從100～25kHz。
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AIC3646內建升壓轉換器的輸出在開啟時做柔性啟動，也就是輸出電壓不會瞬間開啟，會在一段時間內(幾個毫秒)達到輸出穩壓值，柔性啟動可以減少輸出電壓的過衝(Overshoot)及避免輸入的湧入電流(Inrush Current)。
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AIC3646內建過電流保護功能，當輸出負載電流過大時，AIC3646會偵測到電感電流，當電感電流的峰值達到2安培(A)時，會限制住負載電流不再往上抽載，以保護內部的切換開關金屬氧化半導體場效電晶體(MOSFET)。
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若是在使用AIC3646期間，所有的LED串列都開啟時，升壓轉換器會工作在最大工作週期，產生很高的輸出電壓，有可能會超過內部MOSFET的耐壓，造成功率開關的損毀。而AIC3646內建有過電壓保護，無需額外的外部元件來保護輸出電壓過高的情形。由於輸出電壓透過回授電阻進入IC內部，若回授電壓超過1.1伏特(V)時，IC會關掉內部MOSFET，直到回授電壓低於設定的60毫安培遲滯時，再重新打開內部MOSFET。
此外，若回授電壓超過1.25伏特時，IC內部會立即關掉整個IC作為保護，必須重新啟動才會回覆動作。 |
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AIC3646內部有判斷各串LED狀態的機制，當任意一串LED中有開啟時，IC內部會自動偵測判斷，使其餘的LED串仍然繼續工作。
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當一串LED中的其中一顆短路時，有短路的LED串的電流控制源會承擔多餘出來的電壓，當電壓超過8伏特時(意指大約二至三顆LED短路)，IC內部就會關閉此串LED的電流控制源，而其餘的LED串仍然繼續工作。
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測試結果顯示成效佳
本文以輸出為十串八並八十顆LED陣列為例子，實際製作圖2的LED背光源驅動電路，並進行電路量測。圖3為輸入電壓7伏特、操作頻率為1MHz、LED電流為20毫安培時，升壓轉換器的切換波形、電感電流波形與輸出漣波波形。
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| 圖3 升壓轉換器的切換波形與電感電流 |
圖4為輸入電壓28伏特、操作頻率為1MHz、LED電流為20毫安培時，升壓轉換器的切換波形、電感電流波形與輸出漣波波形。圖5為PWM訊號頻率為25kHz，且工作週期為20%時的調光波形。
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| 圖4 升壓轉換器的切換波形與電感電流 |
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| 圖5 PWM訊號調光波形 |
圖6為PWM訊號頻率為25kHz，且工作週期為80%時的調光波形。圖7為操作頻率1MHz且LED電流為20毫安培時，不同輸入電壓下的效率變化，其整體電路的轉換效率最高可超過90%。
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| 圖6 PWM訊號調光波形 |
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| 圖7 轉換效率 |
LED終將成為主流
由於環保意識的抬頭，使用LED取代CCFL來做為液晶顯示器的背光源已經成為一個趨勢。運用在智慧型手機及掌上遊戲機之類的中小尺寸面板的背光源相對比較單純，而在中大尺寸面板中如筆記型電腦，如何設計可驅動更多串並聯顆數的LED並且均流控制及保護功能齊全的驅動電路已成為各家廠商的努力目標。有鑑於此，本文針對LED背光源驅動電路，提供一顆內建均流設計及保護功能的升壓轉換IC做介紹。
(本文作者任職於沛亨半導體)