Hinterleuchtung
LED-Treiber für Hinterleuchtungen von LC-Displays
Fortsetzung des Artikels von Teil 2
Optimierung des Dimmens durch Kombination
Wie Bild 4 zeigt, besteht die einfachste Methode zum Dimmen eines W-LED-Strangs darin, ein pulsbreitenmoduliertes Signal (PWM - Pulse-Width Modulation) mit einer festen Frequenz und einem Tastverhältnis D an den „Enable“-Pin des Treibers in Bild 1 anzulegen. Der mittlere W-LED-Strom ist gleich dem Tastverhältnis des PWM-Signals, multipliziert mit dem maximalen LED-Strom ILED-max, also ILED-avg = D × ILED-max. Da der maximale Strom durch die LEDs derselbe ist, ist die Helligkeitsänderung beim PWM-Dimmen streng proportional zur Stromänderung.
Weil zudem das von einer LED emittierte Lichtspektrum mit dem Spannungsabfall über der LED und dieser Spannungsabfall wiederum mit ILED variiert, sind die Chromatizität, die Farbintensität und der Farbton der LED-Hinterleuchtung (d.h. das eigentliche „Weiß“ des LED-Lichtes) beim PWM-Dimmen exzellent.
Dennoch können die piezoelektrischen Eigenschaften der keramischen Ausgangskondensatoren beim PWM-Dimmen problematisch sein. Insbesondere beim Laden und Entladen des Kondensators bei den im hörbaren Bereich (20 Hz bis 20 kHz) liegenden PWM-Frequenzen entstehen im Kondensator und auf der Leiterplatte Vibrationen, die als Sirren oder Summen wahrgenommen werden. Dabei ist die Amplitude proportional zur Spannungsamplitude und zur Gehäusegröße des Keramikkondensators. Sie lässt sich durch Wahl eines kleineren Gehäuses reduzieren. Verwendet man mehr parallele Stränge (m) mit weniger (n) LEDs pro Strang, sinkt die Spannung über dem betreffenden Kondensator, wodurch sich die Intensität des Sirrens ebenfalls verringert.
Neuere Treiber mit Stromreglern schalten zudem den Stromregler und den Aufwärtswandler beim PWM-Dimmen einfach ab und verhindern so, dass sich der keramische Ausgangskondensator während des PWM-Dimmens vollständig auflädt.
Um derartige Vibrationen der Keramikkondensatoren zu vermeiden, haben viele Display-Hersteller anfänglich das analoge Dimmverfahren angewandt, das ebenfalls in Bild 4 wiedergegeben ist. Beim analogen Dimmen entsteht praktisch keine Ausgangswelligkeit, weil ein externes Signal den Aufwärtswandler in Bild 1 oder die Stromregler für den Regelungspunkt in Bild 2 ansteuert und damit den Gleichstrom durch die LEDs regelt.
Weitere Vorteile des analogen Dimmens gegenüber dem PWM-Dimmen sind der höhere elektrische Wirkungsgrad - dieser stellt sich ein, weil die Aufwärtswandler-Ausgangsspannung (ΔULEDs) mit sinkendem Strom ILED abfällt - sowie der höhere optisch-elektrische Wirkungsgrad d.h. die höhere Lichtausbeute bei gleicher Leistungsaufnahme.
Etwas problematisch beim analogen Dimmen ist die Konstanz des Stromes beim vollständigen Dimmen, da entweder die Spannung UREF oder die Spannung der Stromsenke zu klein wird, um exakt geregelt werden zu können. Die Ursache dafür ist die Offsetspannung des Fehlerverstärkers. Auch die Helligkeitslinearität und die Chromatizität erreichen - insbesondere beim vollständigen Dimmen - nicht die mit dem PWM-Dimmen erreichbare Qualität. Die optimale Lösung besteht also darin, beide Dimmverfahren miteinander zu kombinieren, was als Mixed-Mode-Dimmen bezeichnet wird (Bild 4).
Beim Mixed-Mode-Dimmen wird das PWM-Eingangssignal zum analogen Dimmen bis kurz vor Erreichen des Punktes herangezogen, an dem der LED-Strom weit genug gesunken ist, um Genauigkeit, Linearität und Chromatizität der LED nennenswert zu beeinträchtigen. In Bild 4 wird dieser Strom erreicht, wenn das Tastverhältnis (D) des PWM-Signals 12,5 % beträgt.
Bei diesem Minimalstrom beginnt die Schaltung mit dem Dimmen nach dem reinen PWM-Verfahren. Anstatt jedoch den maximalen LED-Strom durch die Stromsenken gemäß dem Tastverhältnis des PWM-Eingangssignals ein- und auszuschalten, setzt die Schaltung das Eingangs-Tastverhältnis in den entsprechenden Wert für den minimalen W-LED-Strom um, der beim analogen Dimmen erreicht wird.
Der TPS61195 beispielsweise kann bis zu m = 8 Stränge (parallel) ansteuern, die jeweils aus n = 10+ W-LEDs (in Serie) bestehen (Bild 5). Über die SMBus-Schnittstelle bietet der TPS61195 außerdem flexible Optionen zum Dimmen, so dass der Entwickler je nach den vorgegebenen Systemanforderungen die Helligkeit der W-LEDS entweder durch reines PWM-Dimmen oder durch eine Mischbetriebsart aus Analog- und PWM-Dimmen regeln kann.
Links und Hinweise
[1] Datenblätter zum TPS61195 können unter www.ti.com/tps61175-ca abgerufen werden.
[2] Weitere Informationen zu LEDs finden sich unter www.ti.com/led-ca.
[3] Die E2E-Online-Community von TI tauscht ihr Expertenwissen aus auf www.ti.com/e2e-ca
Der Autor
| Jeff Falin |
|---|
| ist Factory Applications Engineer bei der High-Performance Analog Portable Power Applications Group von Texas Instruments. Dort ist er für den Kunden-Anwendungssupport im Bereich der Linearregler und der Hochleistungs-Schaltregler-ICs zuständig, die hauptsächlich in der Konsumelektronik - von Mobiltelefonen bis zu LCD-Fernsehern - zur Anwendung kommen. Seinen Master hat er in Elektrotechnik (MSEE) mit dem Studienschwerpunkt IC-Entwicklung an der Universität von Tennessee erworben. |
epic@ti.com
- LED-Treiber für Hinterleuchtungen von LC-Displays
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