Display-Hinterleuchtung Mit LED-Treibern Verbrauch senken

Laut der California Energy Commission sind Fernseher derzeit für etwa acht bis zehn Prozent des Stromverbrauchs eines Durchschnittshaushalts verantwortlich. Dies erklärt, warum die Energieeffizienz inzwischen zu einem wichtigen Designparameter für TV-Hersteller geworden ist, da die Hersteller aufgrund behördlicher Auflagen in den kommenden Jahren den Stromverbrauch ihrer Geräte deutlich senken müssen. Die im Folgenden angestellten Überlegungen lassen sich aber auch auf die Hinterleuchtung von Displays generell umlegen.

Kaum jemand zweifelt daran, dass die Kombination von LCD-Technologie und LED-Hinterbeleuchtung der einzige gangbare Weg ist, um die von den Behörden vorgeschlagenen Effizienzziele zu erreichen. Plasma besitzt den Nachteil, dass jedes einzelne Pixel ein aktiver Lichtemitter ist und der Stromverbrauch damit direkt proportional zur Anzahl der Pixel ist.

HD-Plasma-TV-Geräte verbrauchen im Durchschnitt zwei- bis dreimal so viel Energie wie LC-Displays mit gleicher Helligkeit und Auflösung. Dennoch sind heutige LCD-TVs - sogar mit LED-Hinterleuchtung - immer noch ein Stück weit davon entfernt, die Effizienzziele zu erreichen, denen sie sich in den kommenden Jahren gegenüber sehen werden.

Neue Schaltungstechniken in LED-Treibern versprechen nun aber bedeutende Verbrauchseinsparungen, die einen großen Teil dazu beitragen werden, dass Fernseherhersteller die rigiden Anforderungen an den Stromverbrauch erfüllen können. Der erste Standard zur Regulierung der Stromverbrauchs von Fernsehern im Betriebszustand war Energy Star v3, der 2008 veröffentlicht wurde.

Die Version 4.0 wurde am 1. Mai 2010 gültig und verringerte die Obergrenze des Stromverbrauchs gegenüber der vorigen Version des Standards um etwa 40 Prozent. Weiterhin verbot sie irreführende Leistungsangaben der Hersteller, da sie die Obergrenze des Stromverbrauchs bei maximaler Lichtabgabe, also höchstem Kontrast, definierte. Version 5.3 trat am 30. September 2011 in Kraft und reduziert die Verbrauchsobergrenze weiter.

Da jede Spezifikation den erlaubten Stromverbrauch des Fernsehers verringert, werden die Herausforderungen bei der Geräteentwicklung, insbesondere für große Bildschirme, immer höher. Energy Star ist zwar freiwillig, hat aber großen Einfluss. Auch ist er ist nicht die einzige Art der Regulierung. So hat die Energy Commission des US-Bundesstaats Kalifornien einen eigenen Standard mit Obergrenzen eingeführt, die zu Jahresbeginn 2011 und 2013 wirksam wurden beziehungsweise werden. Diese Regeln verbieten den Verkauf von Fernsehgeräten in Kalifornien, die die Effizienzvor-gaben des Standards nicht erfüllen.

Bild 1 zeigt, wie sich die Energy-Star-Standards im Verlauf der Jahre weiterentwickelt haben. Die Abbildung zeigt zudem den realen Stromverbrauch von Fernsehgeräten des Jahres 2011 (z.B. die Modelle »LG cinema 3D«), welche die gemischte Hinterleuchtungstechnik verwenden, die in diesem Artikel weiter unten beschrieben wird.

Der Stromverbrauch der LED-Hinterleuchtung macht zwischen 30 Prozent und 70 Prozent des Gesamtstromverbrauchs bei LCD-TVs aus. Effizienzverbesserungen in der Versorgungsschaltung der Hinterleuchtung können daher einen wichtigen Beitrag zur Gesamteffizienz des Geräts leisten.

Wie so häufig beim Design von Stromversorgungen sind mehrere kleinere Effizienzverbesserungen zu kombinieren, um substanziell Energie einzusparen.

Die LED-Hinterbeleuchtung kann auf zwei Arten umgesetzt werden:

  • Bei der indirekten Hinterleuchtung (Bild 2, links) sind die LEDs an den Rändern des Bildschirms angeordnet und ein Diffusor verteilt das Licht gleichmäßig über die Fläche des Bildschirms. Diese Bauweise bietet gute optische Uniformität für Bildschirmgrößen bis zu 40 Zoll und ermöglicht Hinterleuchtungsmodule mit einer Tiefe von nur 5 mm bis 10 mm.
  • In Systemen mit direkter Hinterleuchtung (Bild 2, rechts) sind die LEDs direkt hinter dem LCD-Panel angeordnet. Dieses Verfahren verringert den Stromverbrauch, die Abwärme lässt sich konstruktionsbedingt leichter abführen und das System lässt sich praktisch ohne Einschränkung der Bildschirmgröße gut skalieren. Allerdings sind diese Panels meist dicker als die randbeleuchteten Varianten, doch durch den Einsatz neuester Technologien zur Lichtverteilung lassen sich Displays mit einer Tiefe von nur 8 mm realisieren.

Ein wichtiger Vorteil der direkten Hinterleuchtung besteht darin, eine technisch hochwertige lokale Helligkeitssteuerung (Local Dimming) umsetzen zu können. Dieses Verfahren verringert den Stromverbrauch nochmals und erhöht den dynamischen Kontrastwert.

Optionen für die Systemarchitektur

Die erste wichtige Entscheidung beim Design eines Treibersystems für LED-Hinterleuchtung und zugleich diejenige mit dem größten Einsparpotenzial beim Stromverbrauch betrifft die Architektur. Wie unten beschrieben, suchen Entwickler nach der besten Balance zwischen der lokalen Steuerung von LED-Ketten einerseits (je größer die Kontrolle über einzelne LEDs, desto mehr lässt sich der Stromverbrauch optimieren) und den Systemgesamtkosten (BOM) andererseits. Zur Bereitstellung der Versorgungsspannung für die in Ketten angeordneten LEDs kommt ein DC/DC-Wandler zum Einsatz.

Um den durch die LED-Kette fließenden Strom zu regeln, ist am Ende der Kette eine Stromsenke integriert (Bild 3). um die Verlustleistung zu minimieren, muss die Spannung an der ILED-Senke ein wenig höher sein als die Spannung, mit der sichergestellt ist, dass die LEDs ihren spezifischen Versorgungsstrom erhalten. Ein verbreiteter Designansatz nutzt eine Rückkoppelschleife von der ILED-Senke zum Schaltwandler, um dessen Ausgangsspannung zu regeln.

Diese Rückkoppelschleife ist nötig, um Unterschiede in der Vorwärtsspannung (Vf) zwischen den einzelnen LEDs abzudecken. Diese Streuung ist ein natürliches und unvermeidbares Nebenprodukt des LED-Produktionsprozesses.

Die typische Vf einer weißen LED liegt bei etwa 3,2 V und ihre Variabilität wird mit höchstens ±200 mV pro LED angenommen. Damit liegt beispielsweise in einer Kette von zehn LEDs der Gesamtwert von VLED in der Größenordnung von 30 V bis 34 V. Die am Gleichstromwandler benötigte Spannung VDC/DC lässt sich wie folgt ausdrücken:

«math xmlns=¨http://www.w3.org/1998/Math/MathML¨»«msub»«mi»V«/mi»«mrow»«mi»DC«/mi»«mo»/«/mo»«mi»DC«/mi»«/mrow»«/msub»«mo»§nbsp;«/mo»«mo»=«/mo»«mo»§nbsp;«/mo»«msub»«mi»V«/mi»«mi»LED«/mi»«/msub»«mo»§nbsp;«/mo»«mo»+«/mo»«mo»§nbsp;«/mo»«msub»«mi»V«/mi»«mi»SINK«/mi»«/msub»«mo»§nbsp;«/mo»«mi»mit«/mi»«mo»§nbsp;«/mo»«msub»«mi»V«/mi»«mi»LED«/mi»«/msub»«mo»§nbsp;«/mo»«mo»=«/mo»«mo»§nbsp;«/mo»«mi»n«/mi»«mo»§nbsp;«/mo»«mo»§#183;«/mo»«mo»§nbsp;«/mo»«msub»«mi»V«/mi»«mrow»«mi»f«/mi»«mo»(«/mo»«mi»LED«/mi»«mo»)«/mo»«/mrow»«/msub»«/math»

VSINK wird mit 0,5 V angenommen, sodass die ILED-Senke die VDC/DC abhängig von den tatsächlichen LED-Vorwärtsspannungen in einer Spanne von 30,5 V bis 34,5 V regeln muss. Eine einzelne LED-Kette ist nur selten adäquat, denn mit der Anzahl der LEDs in der Kette steigt auch die benötigte Ausgangsspannung. Oberhalb eines bestimmten Verhältnisses von Ausgangs- zu Eingangsspannung fällt die Effizienz eines Schaltwandlers dramatisch ab.

Entwickler von LED-Hinterleuchtungen können daher mehrere Ketten einsetzen, um so eine zu hohe Ausgangsspannung an der Stromversorgung zu vermeiden. Der einfachste Ansatz ist es, die in Bild 3 beschriebene Topologie n-mal zu duplizieren (Bild 4). Der Vorteil liegt in der Effizienz, da die Spannung jeder Kette separat geregelt wird.

Der Nachteil sind die hohen Materialkosten, da jede Kette Schaltwandler, MOSFET, Spule, Diode und Ausgangskondensator benötigt.

Um die Materialkosten zu verringern, könnte der Entwickler die Anzahl der LED-Kanäle reduzieren und lange Ketten mit einer hohen Anzahl von LEDs pro Kette einsetzen. Dadurch beschneidet er jedoch die Möglichkeit, die Helligkeit lokal zu steuern, eine weitere wichtige Stromspartechnik.

Damit ist in dieser Topologie keine der gegeneinander abzuwägenden Alternativen besonders attraktiv. Ein radikalerer Ansatz, die Systemkosten zu reduzieren, ist die Topologie mit mehreren Ketten, aber nur einem Gleichstromwandler (Bild 5).

Der Nachteil dieses Ansatzes ist, dass die Ausgangsspannung des Wandlers auf ein Niveau oberhalb der LED-Kette mit der höchsten Vorwärtsspannung geregelt werden muss.

Das bedeutet, dass die Stromversorgung mit einer höheren Spannung arbeitet als für die Ketten mit niedrigerer Vorwärtsspannung notwendig ist. Dies wiederum hat zur Folge, dass die ILED-Senke den ungenutzten Strom der Ketten mit niedrigerer Vorwärtsspannung abführen muss.

Es entsteht zusätzliche Verlustwärme, die auf irgendeine Weise von der Leiterplatte wegzuleiten ist und die Effizienz mindert. Die Architektur mit dem besten Verhältnis zwischen Effizienz und Systemkosten kombiniert Elemente der oben beschriebenen Architekturen.

Diese gemischte Architektur (Bild 6) besitzt mehrere Gleichstromwandler, die Gruppen von LED-Ketten versorgen.

Diese Lösung bietet den insgesamt geringsten Stromverbrauch, da sie den Vorteil der lokalen Helligkeitssteuerung in direkten Hinterleuchtungssystemen mit einer guten Regelung der Ausgangsspannung kombiniert.

Bild 1 zeigt, dass diese Topologie in Fernsehermodellen des Jahres 2011 effizient arbeitet und unterhalb der strengsten Anforderungen von Energy Star liegt (Daten mit freundlicher Genehmigung von LG, aus den Spezifikationen der 3D-TV-Modelle »32LW550S«, »42LW650S«, »47LW650S«, »55LW650S«). Gleichzeitig lassen sich substanziell Systemkosten gegenüber den anderen Topologien einsparen.

Regelung des Treiberstroms

Weiter oben wurde bereits erwähnt, dass die Vorwärtsspannung weißer LEDs streut - ein Merkmal des Produktionsprozesses. Dieser Prozess führt auch zu großen Unterschieden in Helligkeit und Farbtemperatur zwischen den einzelnen LEDs. Daher ordnen die Hersteller weißer LEDs jede produzierte LED einer Gruppe oder »Bin« von LEDs mit ähnlicher Performance bezüglich Farbe, Helligkeit und Vorwärtsspannung zu.

Die Herstellerspezifikation für jede Helligkeits- und Farbtemperatur-Bin gilt jedoch genau nur bei nominalen Betriebsbedingungen. Um die spezifizierte Helligkeit und Farbe zu erzeugen, muss daher der LED-Strom dem im Datenblatt angegebenen Nominalstrom entsprechen.

Dementsprechend lassen sich Dimmen und Helligkeitssteuerung nur dadurch implementieren, dass der Treiberstrom jeder einzelnen LED mittels eines digitalen PWM-Steuersignals auf »Ein« (Nominalstrom) oder »Aus« (kein Strom) gesetzt wird. Bei analogem Dimmen würde die LED außerhalb ihres spezifizierten Nominalstroms betrieben, was die Farbtemperatur unakzeptabel verändern und einer großen Abweichung der Helligkeit von LED zu LED führen würde. Dadurch würde sich die Helligkeit inhomogen verteilen (Bild 7).

Nachdem LEDs einen optimal geregelten Konstantstrom benötigen, wird klar, dass die Hauptrolle des LED-Treibers darin besteht, den Treiberstrom im Fall von »Ein« auf den Nominalwert und im Fall von »Aus« auf 0 A zu setzen. Die Rückkoppelschleife, die für die Genauigkeit der Regelung verantwortlich ist, setzt eine sehr präzise Stromsenke voraus.

Obwohl eine ganze Reihe von Stromsenkendesigns möglich sind (Bild 8), geben die Genauigkeitsanforderungen der TV-Hinterleuchtung (Genauigkeit der Stromregelung <0,5%) den Einsatz eines Operationsverstärkers vor, um ILED unabhängig von der LED-Spannung festzulegen. Es kommt ein hochgenauer Operationsverstärker zum Einsatz, eine Anforderung, die für sich allein nicht sehr schwer umzusetzen ist.

In Anwendungen für Hinterleuchtungstreiber hingegen wird diese Aufgabe dadurch erschwert, dass die Genauigkeit bei der Stromregelung selbst dann einzuhalten ist, wenn die Spannung an der Stromsenke auf sehr niedrige Werte absinkt. Dabei handelt es sich um eine schwer zu erfüllende Anforderung: Eine Produktreihe sehr genauer Stromsenken-LED-Treiber von austriamicrosystems, die »AS369x«-Familie, wurde spezifisch für den Einsatz in einer solchen Anwendung entwickelt.

Diese Bausteine integrieren zusätzlich noch einen Offset-kompensierten Operationsverstärker. Derzeit erhältliche Senkentreiber benötigen eine Minimalspannung am Ausgang (Drain-Source-Sättigungsspannung VDS(sat)), um volle Genauigkeit und ordnungsgemäßen Betrieb des Senkentransistors innerhalb des Sättigungsbereichs sicherzustellen. Für den gesättigten Bereich wird der Ausgangsstrom hauptsächlich durch die Gate-Source-Spannung festgelegt. Soll die Stromsenke sehr effizient arbeiten, muss der Spannungsabfall zwischen VSET und VDS gering sein.

LED-Treiber mit Operationsverstärkern, in denen eine Offset-Eliminierung integriert ist, können VSET auf Niveaus bis hinab zu 125 mV bis 250 mV halten. Berücksichtigt man eine zusätzliche Marge von VDS oberhalb von VDS(sat) in Höhe von 150 mV, ist ein Gesamtspannungsabfall an der Stromsenke von etwa 400 mV notwendig. Für eine Kette von acht LEDs (bei der Vf = 8 · 3,2 V = 25,6 V) bedeutet dies einen Leistungsverlust bei ISINK von etwa 1,5 Prozent.

Ohne die in den Hinterleuchtungs-LED-Treibern von austriamicrosystems integrierten Operationsverstärker mit Offset-Kompensation würde das Niveau von VSET für die geforderte Genauigkeit wesentlich höher liegen und höhere Leistungsverluste an der Stromsenke verursachen.