現(xiàn)今已有越來越多電子產(chǎn)品采用LED背光模組，為確保背光模組性能，LED驅(qū)動IC的保護(hù)功能已格外受到重視。良好的保護(hù)機(jī)制必須針對拓?fù)涞妮斎搿⑤敵雠cLED背光等部分，進(jìn)行全面且完善的考量，并要同時(shí)兼顧高LED驅(qū)動電流能力與電流平衡。
然而，在LED背光模組開始大放異彩的同時(shí)，不得不同時(shí)思考著LED背光模組失效模式的預(yù)防，這可避免因其失效而產(chǎn)生使用安全性的疑慮，尤其當(dāng)應(yīng)用場合從家庭慢慢延伸至公共場合時(shí)，LED驅(qū)動積體電路(Driver IC)保護(hù)動作機(jī)制就顯得格外重要。
目前LED驅(qū)動IC主要保護(hù)機(jī)制分為對拓?fù)浼軜?gòu)的保護(hù)，例如過電壓保護(hù)(Over Voltage Protection, OVP)、過電流保護(hù)(Over Current Protection, OCP)、短路保護(hù)(Short Circuit Protection, SCP)，其相關(guān)保護(hù)不外乎針對電性應(yīng)用上的保護(hù)，或者是模組端、系統(tǒng)端制程相關(guān)的保護(hù)，而目的均以安全考量或不損壞系統(tǒng)端元件；還有對LED燈條端的保護(hù)，例如LED開路保護(hù)(LED Open Protection, LOP)、LED短路保護(hù)(LED Short Protection, LSP)；由于LED屬于半導(dǎo)體物理元件，過高的操作電壓及長時(shí)間的操作電流皆會造成LED元件損傷，因此如供電電壓不穩(wěn)、LED線路間或本身品質(zhì)因素造成短路，或是開路都會使LED失效造成亮度差異，進(jìn)而影響面板畫面品質(zhì)及LED的壽命。本文將針對不同的保護(hù)機(jī)制動作原理及判斷機(jī)制做深入的探討。
LED背光保護(hù)機(jī)制各有專長
一般應(yīng)用于LED驅(qū)動的拓?fù)浼軜?gòu)均以提供LED穩(wěn)定電流為目標(biāo)，再以輸出與輸入的電壓關(guān)系選擇適合的拓?fù)浼軜?gòu)；相較于目前的應(yīng)用，LED亮度與電流、應(yīng)用的數(shù)量成正比，所以為求高亮度與多顆LED串聯(lián)，其多串并聯(lián)使用為現(xiàn)今背光模組大多數(shù)的應(yīng)用方式。
而其所須提供驅(qū)動LED的電壓也相較比輸入電壓高；此時(shí)升壓式轉(zhuǎn)換器(圖2)就是一個(gè)相當(dāng)不錯的拓?fù)浼軜?gòu)，但因其為升壓架構(gòu)，若有任何異常發(fā)生時(shí)，異常的高電壓輸出與高輸入電流將是設(shè)計(jì)人員考慮的必要因素。
圖2 升壓轉(zhuǎn)換器+多通道 電流平衡
若把需配合電源系統(tǒng)的交流轉(zhuǎn)直流的因素考慮進(jìn)來，時(shí)下返馳式(Flyback)、半橋諧振(LLC)(圖3)配合電流均流IC回授控制前級均是目前應(yīng)用的主流。在此，將針對拓?fù)涠说氖Ｊ脚cLED端的失效模式應(yīng)具備的保護(hù)機(jī)制逐一介紹。其相關(guān)LED背光保護(hù)機(jī)制有OVP、輸入過電流保護(hù)、輸出過電流短路保護(hù)、LED開路保護(hù)、LED短路保護(hù)、過溫保護(hù)。
圖3 多通道電流平衡
輸出過電壓保護(hù)的LED驅(qū)動多為升壓式轉(zhuǎn)換器(圖4)，如未有過電壓保護(hù)，在回授訊號異常時(shí)，輸出電壓有可能超出元件所能承受電壓，造成元件及LED損壞。因此LED驅(qū)動器的過電壓保護(hù)設(shè)定保護(hù)點(diǎn)須考量LED最大操作電壓(圖5)，以求能正確保護(hù)LED及其他元件，且不會因?yàn)長ED的零件誤差造成保護(hù)誤動作。
圖4 LED驅(qū)動器過電壓保護(hù)區(qū)塊
圖5 LED驅(qū)動器過電壓保護(hù)時(shí)段
輸入過電壓保護(hù)主要是保護(hù)開關(guān)元件N型金屬氧化物半導(dǎo)體場效電晶體(NMOS)及防止電感L發(fā)生飽和現(xiàn)象(圖6)，當(dāng)輸入電流過大時(shí)，升壓式轉(zhuǎn)換器會強(qiáng)制關(guān)閉NMOS(圖7)，限制最大輸入電流。
圖6 LED驅(qū)動器過電流保護(hù)區(qū)塊
圖7 LED驅(qū)動器過電流保護(hù)時(shí)機(jī)
輸出過電流短路保護(hù)(圖8)是當(dāng)升壓式轉(zhuǎn)換器的二極體(Diode)未連接或輸出短路到地時(shí)，LED驅(qū)動IC會判斷回授系統(tǒng)異常，進(jìn)而關(guān)閉LED驅(qū)動IC以防止能量繼續(xù)輸出而導(dǎo)致整個(gè)轉(zhuǎn)換器的損壞或系統(tǒng)的燒毀(圖9)。
圖8 LED驅(qū)動器短路保護(hù)區(qū)塊
圖9 LED驅(qū)動器短路保護(hù)時(shí)機(jī)
LED開路保護(hù)是由于LED因本身品質(zhì)不良或光條連接系統(tǒng)間，發(fā)生連接不良開路現(xiàn)象時(shí)(圖10)，VD電壓會接近0伏特(V)，此時(shí)Boost升壓轉(zhuǎn)換器會因無偵測到回授訊號進(jìn)而將輸出電壓Vout提高，如未有LED開路保護(hù)將異常回路從升壓轉(zhuǎn)換器回授控制中隔離，則多余電壓會跨于正常工作的LED驅(qū)動或外部穩(wěn)流NMOS上(圖11)，其公式為：PD=ILED×Ve。將會造成元件過熱的問題發(fā)生。
圖10 LED驅(qū)動器開路保護(hù)區(qū)塊
圖11 LED驅(qū)動器開路保護(hù)時(shí)機(jī)
LED短路保護(hù)的用途是LED因線間連結(jié)接觸問題或是LED品質(zhì)不良，LED發(fā)生短路；當(dāng)LED短路發(fā)生時(shí)(圖12)，多余電壓會跨在LED驅(qū)動或外部穩(wěn)流NMOS上，其公式為PD=ILED×VLED-Short。當(dāng)LED短路顆數(shù)過多時(shí)，LED驅(qū)動及NMOS會有過溫的現(xiàn)象發(fā)生(圖13)。
圖12 LED驅(qū)動短路保護(hù)區(qū)塊
圖13 LED驅(qū)動器短路保護(hù)時(shí)機(jī)
檢測溫度功能可避免照明中斷
過溫度保護(hù)的過溫度失效模式約來自于兩大部分，首先是使用高亮度LED做光源時(shí)，相對的其產(chǎn)生的熱也較高。當(dāng)此類LED在應(yīng)用時(shí)，雖可發(fā)出足夠的光及有效減少LED的使用數(shù)目，但其所產(chǎn)生的另一個(gè)副作用即是熱。在正常的使用條件下，多少LED電流會對LED產(chǎn)生多高的溫度是可預(yù)期的。但當(dāng)故障發(fā)生時(shí)，過高的溫度會使LED的亮度產(chǎn)生衰減甚至?xí)p壞LED，此時(shí)IC須有偵測溫度的功能，當(dāng)偵測到異常高溫時(shí)，可降低LED電流而降低亮度使其溫度降低，待溫度持續(xù)降低到可接受值時(shí)，再提高LED的亮度，此保護(hù)功能可避免因異常溫度引起的照明中斷；相對的亦可停止LED輸出電流的供應(yīng)使照明中斷。其次，當(dāng)LED短路或其他使IC本身發(fā)生異常之高溫，此時(shí)須由IC本身之過溫度保護(hù)偵測動作來保護(hù)異常動作的持續(xù)發(fā)生，以避免相關(guān)的安全性問題發(fā)生。
兼顧高LED驅(qū)動電流/電流平衡 高整合度解決方案大展身手
LED取代冷陰極燈管(CCFL)做為背光源應(yīng)用于筆記型電腦、桌上型顯示器、電視等10寸以上大尺寸面板，其LED背光源模組的背光驅(qū)動IC保護(hù)功能整合就更顯得格外重要，綜觀上文敘述， LD7889能夠針對拓?fù)渲斎搿⑤敵雠cLED背光提供一完整且全面的保護(hù)，且其為一將升壓架構(gòu)與電流平衡高度整合的LED解決方案，可以針對各串LED電流提供高精度之電流平衡度(<2%)，高LED電流之驅(qū)動能力，如每一個(gè)LED串=240毫安培(mA)，對于三維(3D)的應(yīng)用也能提供如2毫秒(ms)，400毫安培/每串瞬間高電流的LED驅(qū)動能力。就其全面的失效保護(hù)功能以及兼顧高LED驅(qū)動電流能力與電流平衡的高精度考量之下，LD7889確實(shí)為一優(yōu)異的LED背光驅(qū)動解決方案。