Hinterleuchtung LED-Treiber für Hinterleuchtungen von LC-Displays

Weiße LEDs lösen derzeit die Leuchtstofflampen ab, die bislang für die Hinterleuchtung von größeren LC-Displays im MFF-Format (Medium Form Factor) verwendet wurden. Für diese Hinterleuchtung können bis zu 100 LEDs erforderlich sein. Die Herausforderung besteht darin, eine optimale Parallel- und Reihenschaltung zu bestimmen und ein passen- des Verfahren zum Dimmen der LEDs zu wählen.

Die Abkehr von den Leuchtstofflampen wurde durch die RoHS-Initiative (Reduction of Hazardous Substances) der Europäischen Union eingeleitet. Deren Zielsetzung besteht darin, verschiedene toxische Substanzen wie z.B. Quecksilber - eine wichtige Komponente in Leuchtstofflampen - aus Konsumgütern zu verbannen. Doch weiße LEDs (W-LED) bieten gegenüber Leuchtstoffröhren noch weitere Vorteile. Es handelt sich um Halbleiterbauelemente, die ein gerichtetes Licht abstrahlen und bei wesentlich niedrigeren Betriebsspannungen betrieben werden können. LEDs lassen sich zudem einfacher und über einen größeren Helligkeitsbereich dimmen, die Linearität ist darüber hinaus deutlich besser als bei den Leuchtstofflampen.

Wegen der gerichteten Lichtabstrahlung von W-LEDs schließlich können in Displays kleinere Diffusoren und Lichtleiter eingesetzt werden, so dass sich flachere Anzeigen und Notebooks realisieren lassen.

Die richtige W-LED-Treiber-Topologie

Die Helligkeit einer W-LED variiert linear mit dem eingeprägten Strom. Damit der W-LED-Strom möglichst präzise eingestellt werden kann und die W-LEDs in jedem Strang gleich hell leuchten, sollte der LED-Treiber den Strom durch eine LED und nicht die Spannung über der LED regeln.

Bild 1 zeigt, wie sich ein einstellbarer Gleichspannungswandler auf einfache Weise zu einer Konstantstromquelle umkonfigurieren lässt, die mehrere in Serie geschaltete W-LEDs ansteuert. Solange seine Ausgangsspannung größer als die Vorwärtsspannung der LEDs ist, fällt über diesen die Spannung ULED ab. 

Durch Regelung von Umess , also der Spannung über dem Strom-Messwiderstand (Rmess) und nicht der Ausgangsspannung (Uausg), arbeitet der Treiber im Wesentlichen als Konstantstromquelle. Seine Ausgangsspannung (Uausg) kann sich somit selbst auf Änderungen von U LED mit dem Strom und der Temperatur einstellen. W-LEDs haben einen Spannungsabfall im Bereich von 3,0 V bis 4,0 V, wobei der Spannungsabfall direkt proportional zum LED-Strom und umgekehrt proportional zur Temperatur variiert. Daher muss die Ausgangsspannung des W-LED-Treibers in der Lage sein, mindestens die Summe des W-LED-Strangs mit dem größten ULED-Abfall beim maximalen LED-Strom pro Strang zu erreichen.

Obwohl die Eingangsgleichspannung bei der Mehrzahl der Hinterleuchtungen zwischen 3,6 und 48 V liegt, arbeiten die meisten Treiberschaltungen in MFF-LC-Displays mit Spannungen von 7,2 bis 21 V, die von Lithium-Ionen-Zellenstapeln (Li-Ion-Zellenstapeln) geliefert werden. Damit lassen sich zwischen 24 und 100 LEDs ansteuern. Die Anzahl der W-LEDs für die verschieden großen MFF-Anzeigen variiert von 36 bei 12,1-Zoll-Displays bis 72 bei 17-Zoll-Displays.

Die Regelung von 72 LEDs in einem einzelnen Strang resultiert bei der in Bild 1 gezeigten Konfiguration in einer Spannung von 288 V (= 72 × 4 V). Infolgedessen finden sich in den meisten Treiberschaltungen für die LED-Hinterleuchtung Aufwärtswandler. Hochspannungs-Aufwärtswandler mit Einzelinduktivitäten sind jedoch kostenintensiv und schwierig zu entwickeln, denn sie erfordern

  • Leistungs-FETs, die höhere Nennspannungen aufweisen und deshalb größer und teurer sind, sowie Dioden und Ausgangskondensatoren mit ähnlich hohen Nennspannungen,
  • einen Aufwärtswandler-Controller, der Tastverhältnisse (D = Uausg/(Uausg + Ueing) von 87,5 bis 96 % unterstützt, was unter der Annahme einer Schaltfrequenz von 1 MHz in Einschaltzeiten (tein) von 875 bis 960 ns und einer sehr schwierig zu steuernden minimalen Ausschaltzeit (taus) von 40 ns resultiert,
  • eine teure und viel Platz beanspruchende Isolationsbarriere zur Vermeidung von Funkenüberschlägen zum Chassis,
  • Handhabungs- und Prüfverfahren für hohe Spannungen,
  • zusätzliche Sicherheitsbewertungen für Konsumgüter.
  • Überdies erzeugen solche Wandler mehr elektromagnetische Störungen (ICM - Interference Conflict Margin) aufgrund des höheren Gleichtaktstroms, der sich zu ICM = Cpar × Uausg × fschalt berechnet, wobei Cpar die parasitäre Leiterplattenkapazität zwischen Drain des FET und Masse und fschalt die Schaltfrequenz des Aufwärtswandlers sind.

Geht man von Aufwärtswandler-Topologie mit Spule zu einer Sperrwandler-Topologie über, dann kann als Controller-IC ein kostengünstiger Standardbaustein verwendet werden. Der Vorteil muss mit einem anwendungsspezifischen Transformator erkauft werden, das Schaltungsdesign wird komplizierter.

Um die Kosten für den Steuerungsbaustein und die zugehörigen passiven Bauelemente niedrig zu halten, begrenzen die Hersteller von Treibern in Aufwärtswandler-Topologie, die mit integrierten FETs ausgestattet sind, die Treiberausgangsspannung auf Werte unter 60 V. Ein einzelner LED-Strang, der von einem solchen Aufwärtswandler angesteuert wird, dürfte aus nicht einmal 20 LEDs bestehen, was für größere MFF-Displays kaum ausreicht.

Daher bietet der Wandler in Bild 1 mehrere (m) parallelgeschaltete Stränge, die aus jeweils n LEDs bestehen und mit Ballastwiderständen in der Größenordnung 10 Ω beschaltet sind. Sie tragen dazu bei, den Strom durch den jeweiligen Strang und die über dem Strang abfallende Spannung zu egalisieren. Je besser die Ströme durch die W-LEDs und die Spannungen über den W-LEDs aufeinander abgestimmt sind, desto gleichmäßiger wird die Farb- und Helligkeitsverteilung der einzelnen Stränge sein.

Die genaue Dimensionierung der Ballastwiderstände in Bild 1 zum optimalen Abgleich der einzelnen Stränge gestaltet sich in der Praxis allerdings schwierig.

Ein besserer Lösungsansatz wäre es daher, den Aufwärtswandler und mehrere Stromregler (Stromsenken) so in das Schaltungskonzept einzubeziehen, dass sie buchstäblich denselben Strom durch die Stränge in ein einzelnes Treiber-IC „ziehen“ (Bild 2).

Dabei erfassen Treiberstufen den Spannungsabfall an jedem einzelnen UIFBx-Pin und steuern den Aufwärtswandler so, dass dieser einen Ausgangsstrom liefert, der gerade groß genug ist, um die niedrigste Spannung am UIFBx-Pin (UIFB min) über der maximalen Dropout-Spannung des zugehörigen Stromreglers zu halten.