Bílé LED diody velmi rychle nahrazují výbojky se studenou katodou (CCFL), určené pro podsvícení LCD displejů s větším MFF (Media Form Factor) až do velikosti 19 palců. Podsvícení pro tyto displeje vyžaduje až 100 LED diod a proto určení optimálního sério - paralelního způsobu zapojení, včetně energeticky účinné a život baterií prodlužující metody stmívání LED bez nežádoucího kvalitativního ovlivnění jasu displeje, může být velmi náročné. Tento článek proto poskytuje návod, jak jednoduše vybrat optimální budič bílých LED diod (WLED) pro displeje MFF tak, aby bylo dosaženo vysoké účinnosti, tj. dlouhodobého provozu při bateriovém napájení a zároveň také nejlepšího možného jasu při současném splnění požadavku na minimální vynaložené prostředky.

Proč jsou v displejích MFF výbojky CCFL nahrazovány WLED diodami?

Upouštění od výbojek CCFL má své kořeny v iniciativě Evropské unie a příslušné směrnice RoHS, která se snaží vytlačit ze spotřebitelských výrobků některé jedovaté složky včetně rtuti, která je hlavní součástí fluorescenčních lamp. WLED diody navíc ve srovnání s CCFL výbojkami nabízí několik dalších výhod, např.

• polovodičovou podstatu s přímým zdrojem světla
• práci při výrazně nižším napětí
• jednodušší stmívání při větším jasovém rozsahu
• větší linearitu jasu během stmívání.

Směrové světlo WLED dále umožňuje použití menších difusorů i světlovodů, což ve výsledku příznivě ovlivňuje tloušťku samotného panelu i finálních výrobků, např. notebooků.

Volba topologie budičů WLED

Při průchodu proudu se jas WLED diody mění lineárně. Pro dosažení nejlepší možné regulace při současném zachování rovnoměrného jasu WLED v jedné řadě by měl budič regulovat spíše proud protékající diodou než napětí na ní. Obr. 1 ukazuje, že každý nastavitelný DC / DC převodník lze snadno použít ve funkci zdroje konstantního proudu pro řízení většího množství WLED zapojených v sérii, na kterých tak vzniknou příslušné napěťové úbytky.

Obr. 1: DC / DC převodník s nastavitelným výstupem ve funkci zdroje konstantního proudu pro buzení řetězce diod

Namísto toho, abychom ovládali velikost výstupního napětí Vo, budeme raději regulovat napětí Vsense na snímacím rezistoru Rsense a vytvoříme tak zdroj konstantního proudu. Výstupní napětí Vo pak bude věrně kopírovat dílčí napěťové změny na jednotlivých úbytcích Vled v závislosti na proudu a také teplotě. Diody WLED vykazují úbytky napětí v rozsahu od 3.0 V až do 4.0 V, přičemž jejich velikost bude přímo úměrná proudu protékajícímu diodou a nepřímo úměrná teplotě. Výstupní napětí budiče WLED tedy musí s přehledem pokrýt součet úbytků řady WLED. Pochopitelně budeme uvažovat největší možný úbytek napětí Vled při maximálnímu proudu diodami v dané řadě.

Ačkoli může být vstupní napětí pro většinu podsvětlovacích aplikací v širokém rozsahu 3.6 V až 48 Vdc, celá řada budičů při řízení celkového počtu 24 až 100 LED používá baterie složené z lithium-iontových článků (Li-Ion) o velikosti napětí 7.2 V až 21 V. Počet diod WLED se pak pro různé rozměry MFF panelů mění od 36 ks (12.1palcové panely) až do 72 ks (17palcové panely).

Regulace sériového spojení až 72 diod, konfigurovaných dle obr. 1, vede k požadavku na napětí 72 x 4 V = 288 V. Z těchto důvodů bude většina budičů vycházet ze zvyšujícího napěťového měniče. Vysokonapěťové zvyšující měniče s jednou indukčností však bývají drahé a obtížně se s nimi pracuje, protože vyžadují

• vyšší jmenovité napětí, větší a dražší výkonové FETy, diody a výstupní kondenzátory
• drahé a prostorově náročné izolační přepážky pro zabránění výbojů vůči kostře
• testovací a manipulační procedury z titulu vysokého napětí
• přídavná uživatelská bezpečnostní opatření
• zvyšující měnič s činitelem D (D = Vout/(Vout + Vin)) v rozsahu od 87.5 do 96 procent vede při předpokládaném spínacím kmitočtu 1 MHz k požadavku na dobu náběhu (ton) 875 až 960 ns a k velmi obtížně zajistitelné minimální době potřebné k vypnutí (toff) 40 ns
• zmíněné měniče navíc produkují vyšší elektromagnetické rušení (EMI) v důsledku většího souhlasného proudu dle definice Icm = Cpar x Vout x fsw, kde Cpar reprezentuje parazitní kapacitu mezi kolektorem a zemí a fsw spínací kmitočet zvyšujícího měniče.

Přechod k topologii fly - back ve srovnání se zvyšujícími měniči (boost), založenými na indukčnosti, umožňuje nasazení standardních a také levnějších IO, ale za cenu možných komplikací při zákaznickém návrhu transformátoru. Mají-li tedy zůstat ceny obvodů včetně podpůrných pasivních součástek nízké, musí výrobci zvyšujících měničů s integrovanými FETy omezovat výstupní napětí budiče pod 60 V. Jedna řada LED diod řízená takovým měničem by pak byla omezena na max. počet 20 ks, což rozhodně nedostačuje pro řízení větších panelů. Proto má převodník na obr. 1 m paralelních řad, přičemž se každá z nich dále skládá z n diod. Nechybí ani rezistory řádu 10 Ω, pomáhající vyrovnávat proudy a napětí v každé řadě. Čím více si budou proudy a napětí WLED bližší, tím jednotnější barvu, resp. jas získáme.

Je obtížné stanovit velikost stabilizačních odporů dle obr. 1 tak, aby docházelo k perfektní shodě mezi jednotlivými řadami. Lepší možností je proto začlenit do jednoho integrovaného budiče (obr. 2) hned vedle měniče pro zvýšení napětí i vícenásobný proudový regulátor, dodávajících stejný proud do jednotlivých řad. Obvody snímají pokles napětí na každém vývodu Vifbx aby pak použily měnič pro vyrovnání a dosažení dostatečného výstupního výkonu, pokrývajícího jednotlivé úbytky. Jak ale optimálně určit hodnotu n a m?

Obr. 2: Budič podsvětlovacích LED, vycházející ze zvyšujícího měniče, doplněného samostatnými proudovými regulátory pro každou použitou větev

Optimalizace počtu n diod v m řadách

Při volbě hodnot n a m pro budiče na bázi zvyšujících měničů je třeba zohlednit několik faktorů:

• nmax x Vledmin < maximální velikost výstupního napětí měniče
• nmin x Vledmin > Vinmax
• hodnota m podmiňuje požadavky kladené na jas a také definuje maximální proudovou zátěž Iloadmax = m x Iledmax.

Naměřené údaje potvrzují, že pro stejné vstupní napětí a proud Iled v jedné řadě bude budič v konfiguraci s m = 6 a n = 12 (t.j. 12S6P) pracovat s menší účinností než stejný obvod v konfigurací 9S8P. Proč je tomu tak, když přece oba napájejí stejný počet 72 LED? Podrobnější analýza účinnosti zvyšujícího měniče včetně proudových regulátorů sice překračuje rozsah tohoto článku, přesto však můžeme odpověď vytušit: 

• Ztráty zvyšujícího měniče rostou s výstupním výkonem.
• Výstupní výkon zase roste se zvyšováním napětí Vout nebo také s nárůstem výstupní zátěže.
• Výstupní napětí měniče roste s počtem n diod v řadě, zatímco výstupní zátěž roste s počtem m řad, příp. také při zvyšujícím se proudu v dané řadě.
• Ztráty proudových regulátorů jsou zase dány součinem proudu každé řady a napětí na příslušném zpětnovazebním pinu Ifbx.
• Je tedy zřejmé, že ztráty regulátoru rostou s proudem jednotlivých řad nebo při použití budiče s vyšším regulačním napětím Vifb.
• Jak již bylo zmíněno dříve, budiče na obr. 2 pracují tak, že výstupní napětí dosahuje pouze součtu napětí na jednotlivých LED v řadě, která se skládá z diod s největším propustným napětím Vled a jejich doplňkovým Vifbmin.
• Protože jsou napětí na ostatních vývodech Vifb  vyšší (LED ve zbývajících řadách vykazují menší úbytek napětí), budou zbývající proudové regulátory jednoduše plýtvat energií.

Statisticky lze najít optimální počet m řad po n LED diodách pro minimalizaci takto vzniklých výkonových ztrát a současné dosažení maximální účinnosti budiče. Provedením ztrátové analýzy proudového regulátoru s použitím průměrné hodnoty, čtverce směrodatné odchylky a směrodatné odchylky pro napěťové úbytky na LED diodách zjistíme, že ztráty proudového regulátoru rostou úměrně s počtem m řad, ale pouze s druhou odmocninou počtu n diod v řadě. Obr. 3 ukazuje celkové výsledky účinnostního modelu pro zvyšující měniče a jejich proudové regulátory.

Obr. 3: Celkové výkonové ztráty budiče ve vztahu k počtu LED diod a způsobu jejich konfigurace; Vin = 11 V, Vifbx = 0.4 V, Iled = 20 mA

Ačkoli se výsledky v závislosti na hodnotách Vin, Iled a Vifb poněkud liší, je zřejmé, že podsvícení pro většinu panelů MFF bude mít největší účinnost s počtem řad v rozmezí 4 < m << 12.

Stmívání jako samostatná kapitola

Jak ukazuje obr. 4, nejjednodušší metodou pro stmívání řady WLED je použití signálu s pevným kmitočtem a pulsně-šířkovou modulací (PWM), který v rámci střídy D přivedeme na povolovací pin dle obr. 1. Průměrný proud diodou WLED získáme vynásobením střídy PWM signálu a maximálního proudu diodou Iledmax, t.j. Iledavg = D x Iledmax. Protože maximální proud protékající diodami bude stejný, získáme stmíváním pomocí PWM velmi lineární změny jasu. Jelikož se dále vyzářené světelné spektrum mění v závislosti na úbytku napětí a napěťový úbytek se zase mění s proudem Iled, budou barva a její tón (tzn. jak “bílé” světlo skutečně je) při použití PWM vskutku vynikající.

Nicméně piezoelektrické vlastnosti výstupního keramického kondenzátoru mohou při použití PWM způsobovat určité problémy. Pokud budeme kondenzátor nabíjet a zase vybíjet PWM signálem o kmitočtu ve slyšitelném rozsahu (20 Hz – 20 kHz), začne kmitat a lidské ucho uslyší rezonance kondenzátoru i plošného spoje v podobě zvonivého nebo bzučivého zvuku. Vibrace jsou přímo úměrné rozkmitu napětí a velikosti pouzdra kondenzátoru. Zmenšení rozměrů pouzdra proto snižuje míru rušivých produktů. Použitím většího počtu m paralelních řad s menším počtem n diod v řadě a tedy snížením napětí na tomto kondenzátoru se také snižuje intenzita akustických projevů. Současné budiče s proudovými regulátory navíc při stmívání pomocí PWM jednoduše vypnou zmíněný regulátor spolu s měničem, čímž zabrání tomu, aby se keramický výstupní kondenzátor během stmívání zcela vybíjel.

Na počátku se mnoho výrobců panelů z důvodu vyloučení rušivých akustických projevů keramického kondenzátoru přiklánělo k analogovému stmívání, které je také zachyceno na obr. 4. Analogové stmívání nezpůsobuje téměř žádné výstupní zvlnění, protože vnější signál rovnou nastavuje zvyšující měnič na obr. 1 nebo proudové regulátory na obr. 2 a tedy i úroveň stejnosměrného proudu, protékajícího LED diodami. Další výhody analogového stmívání před stmíváním pomocí PWM zahrnují větší elektrickou účinnost (výstupní napětí měniče v podobě součtu úbytků Vled klesá s klesajícím proudem Iled) a rovněž vyšší opticko – elektrickou účinnost, což znamená větší úroveň světelného toku při stejné spotřebě energie.

Analogové stmívání má ale problémy s přesností při hlubokém stmívání, kdy příslušná napětí dosahují velmi malých hodnot na to, aby byla možná přesná regulace z titulu offsetu zesilovače odchylky. Rovněž linearita jasu a chromatičnost nejsou tak dobré, jako při stmívání pomocí PWM, obzvláště pak při hlubokém stmívání. Optimálním řešením se tak jeví vzájemná spolupráce PWM a analogového stmívání, nazývaná stmívání ve smíšeném režimu (mixed-mode dimming), viz obr. 4.

Obr. 4: Metody stmívání

Stmívání ve smíšeném režimu používá vstupní signál pro spouštění analogového stmívání až do té doby, než proud LED diodami klesne na úroveň, při které je již výrazně ovlivněna přesnost, linearita a chromatičnost LED diod. Na obr. 4 bylo tohoto stavu dosaženo pro D = 12,5 %. Při této minimální hodnotě proudu začíná obvod využívat poctivého stmívání pomocí PWM. Místo toho aby ale spínal maximální proudy tekoucí diodami v rytmu vstupního PWM signálu, převádí je na příslušnou úroveň minimálního proudu, dosaženého při analogovém stmívání.

Obr. 5: Příklad budiče podsvětlovacích LED diod, využívající obvod TPS61195

Například obvod TPS61195 je schopen řídit až m = 8 řad (paralelně), každou s n = 10 i více WLED diodami (sériově). Prostřednictvím rozhraní SMBus poskytuje TPS61195 také možnost volitelného stmívání, tj. čistého stmívání pomocí PWM nebo smíšeného režimu, analogového a pulsně - šířkového, přesně dle požadavků konkrétního systému.

Závěr:

Experti předpokládají, že do roku 2011 diody WLED úplně nahradí výbojky CCFL, podsvětlující LCD panely MFF. Výrobci budičů své obvody průběžně zlepšují, aby tak vyhověli výrobcům zobrazovacích panelů a jejich potřebě malých rozměrů, maximální účinnosti a přizpůsobitelného stmívání. Obvod TPS61195 v pouzdru QFN (4x4), ovládající 8 řad po 12 WLED diodách, svým přizpůsobitelným stmíváním včetně vstupního napětí až do 21 V tyto požadavky rozhodně splňuje.

Download a odkazy:

• Popis TPS61195 naleznete na: http://focus.ti.com/docs/prod/folders/print/tps61195.html
• Více informací o LED diodách získáte na: www.ti.com/led-ca
• Pokládejte otázky a sdílejte poznatky na on-line návrhářské komunitě TI E2E: www.ti.com/e2e-ca

Něco o autorovi:

Jeff Falin je aplikačním inženýrem ve skupině High-Performance Analog Portable Power Applications v Texas Instruments, kde poskytuje podporu zákaznickým aplikacím a to jak pro lineární regulátory, tak i vysoce účinné výkonové čipy, používané především ve spotřební elektronice - od mobilních telefonů až po LCD TV. Titul MSEE získal na University of Tennessee (zaměření na návrh IO). Jeffa můžete kontaktovat přímo na ti_jfalin@list.ti.com.