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研究生:廖得志
研究生(外文):Te-Chih Liao
論文名稱:新型 LCD-TV LED背光模組驅動電路之研製
論文名稱(外文):New LCD-TV LED Backlight Driver Circuit Module Design
指導教授:王仲淳
指導教授(外文):Jong-Chwen Wang
學位類別:碩士
校院名稱:元智大學
系所名稱:電機工程學系
學門:工程學門
學類:電資工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2011
畢業學年度:99
語文別:中文
論文頁數:109
中文關鍵詞:背光元件LED 驅動電流平衡諧振式轉換器多組直流負載。
外文關鍵詞:Backlight ComponentsLED DriverCurrent BalanceResonant ConverterMultiple DC Loads。
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中文摘要

在節能減碳的環保共識下,較傳統背光元件( 如CCFL )更低消耗功率的 LED 已成為 LCD TV 新一代的背光源趨勢。相較於 Monitor 的應用, TV 由於尺寸較大,所以需要更多串列 ( String ) 的 LED 以達到其所需的背光亮度,而多串列的 LED 控制首先遇到的就是各串列間的電流平衡問題,不平衡的串列電流將造成亮度的不平均,進而影響畫面品質。如何在兼顧成本下達成各串列的電流平衡成為 LED 驅動設計工程師的挑戰。
傳統多組交流負載驅動 [如 CCFL、EEFL ( External Electrode Fluorescent Lamp 外置電極螢光燈) 等] 常連接被動元件於各組交流負載與交流電源輸入端之間,如此可達到多組交流負載電流平衡之均流效果。
本論文針對60吋 LED TV 提出一個功率損耗小,成本較廉價 LED 驅動電路。以被動元件應用於平衡多組直流負載電流之連接方式,做出 LCD-TV LED 驅動電路雛型,並量測數據及波形。交流電源透過整流線路的連接,可提供直流負載所需之直流電源。利用被動元件的連接可獲得各組直流負載間電流平衡之均流效果。本論文針對利用 LLC 諧振式轉換器加上 ”多組直流負載之電流平衡供電電路” 做整合設計。新型 LED 驅動模組主要目的在於提供更為廉價之電流平衡供電電路。利用不同於傳統的線路架構,使每一組直流負載的電流平衡且發光亮度相同,更使電路功率損耗小且電路運作效率高。相對使用較少的元件且電路複雜度低,並可節省大幅的成本。對新型 LED 均流線路加以探討並實際量測。

ABSTRACT

In the carbon reduction of environmental consensus, unlike the traditional backlighting elements (such as CCFL), the lower power consumption of the LED has become a new generation of LCD TV backlight trend. Compared to the application of monitor, TV as a larger size, they need more strings of the LED backlight modules to achieve the required brightness of the LED control and on it’s multi-serial LED strings. The first problem is the current imbalances will be encountered among LED strings. The imbalance will cause the serial current uneven brightness, and thus the image quality. How to reach a balance under the given cost and getting the current balance among the LED strings, will be a challenge to for LED driver designers.

Conventional AC load multiple drivers [ such as CCFL, EEFL ( External Electrode Fluorescent Lamp ), etc. ] often connected passive components in each group sharing the loads among AC power input, so one can achieve multiple AC load flow with current balance.

This thesis proposes a lower power loss and cheaper method LED driver module for a typical 60” LED TV. For balancing the multiple LED strings, the LCD-TV LED driver circuit prototype design with passive components used in the DC load current connection. In addition, the circuit outputs data and waveforms were also measured. The AC power connecting with a rectifier can provide the DC power for the DC loads. By the connection of passive components, it will get the current balance among the DC loads.

This thesis uses a LLC resonant converter design integrated with "A power supply with a H- balance LED driver for the multiple DC loads." The main purpose of the new power module for LED driver is to provide a cheaper and also efficient power supply circuit for current balance. Different from the traditional with linear structure, the new design can have current balance in each group of DC loads and the same brightness, the lower power consumption and high efficiency. The new design has relatively few components and low complexity, and substantial cost savings. With the actual measurements, we will measure and evaluate the performance of the new LED driver design with current balance circuits.

目 錄

書名頁.................................................... I
口試委員審定書........................................... II
論文授權書...............................................III
中文摘要................................................. IV
英文摘要...................................................V
誌謝......................................................VI
目錄.................................................... VII
圖目錄....................................................IX
表目錄....................................................XI
第一章 緒論............................................... 1
1.1 研究背景與動機........................................ 1
1.2 研究目的.............................................. 4
1.3 研究綱要...............................................5
第二章 平面顯示器介紹.....................................7
2.1 電漿顯示面板.......................................... 7
2.2 場效發射顯示器.........................................9
2.3 有機電激發光顯示器....................................10
2.4 液晶顯示器............................................12
第三章 LED TV 背光驅動電路.............................. 17
3.1 LED 特性簡介及驅動電源與調光穩流機制................. 17
3.1.1 白光 LED 特性 .................................... 18
3.1.2 驅動電源 ......................................... 21
3.1.3 調光機制 ......................................... 23
3.1.4 穩流機制 ......................................... 23
3.2 多輸出直流/直流轉換器 ............................... 30
3.3 穩流控制電路 ........................................ 32
3.3.1 穩流與調光控制電路 ............................... 33
3.3.2 數位訊號調光控制電路.............................. 35
3.3.3 保護電路 ......................................... 37
第四章 LLC 諧振式轉換器工作原理.......................... 38
4.1 簡介 LLC 諧振式轉換器................................ 38
4.2 LLC 諧振式轉換器的優點............................... 38
4.3 脈波寬度調變、頻率調變及 LLC 諧振式轉換器三種控制方
式之比較................................................. 39
4.4 LLC 諧振式轉換器原理介紹..............................43
4.5 LLC 諧振式轉換器8 個工作階段的工作原理............... 45
第五章 新型 LED 背光驅動電路設計考量與設計實例............58
5.1 LED 佈局..............................................58
5.2 多組直流負載之電流平衡供電電路........................64
5.3 新型 LED 背光驅動電路.................................74
5.3.1 LED 雙邊驅動電路...................................74
5.3.2 新型 LED 背光驅動電路..............................80
5.4電源電路設計.......................................... 82
第六章 實測結果分析.......................................85
6.1 測試條件..............................................85
6.2 新型 LED 驅動轉換器之設計及模擬.......................87
6.3 LED 模組實際量測輸出電流實測結果......................93
6.3.1 均流測試...........................................93
6.3.2 效率測試...........................................98
第七章 結論與未來展望.....................................99
7.1 結論..................................................99
7.2 未來展望.............................................100
參考文獻.................................................102
附錄 雛型照片............................................108

表 目 錄

表2-1 顯示器之性能比較表..................................13
表2-2 LED 與 CCFL 對比....................................16
表4-1 脈衝寬度調變與頻率調變及 LLC 諧振式三種控制方式之比較........................................................42
表5-1 2008~2012年直下式/側光式 LED TV 市場分析...........62
表5-2 各大廠 LED TV 規格..................................62
表5-3 側光式/直下式背光源模組性能比較.....................63
表5-4 LED 背光源模組架構性能比較..........................66
表6-1 電氣規格: LED-Light-Bar 規格........................86
表6-2 調光規格............................................86
表6-3 電氣輸出: LED Strings 電流測量結果.................93
表6-4 LED String 電流調光測量結果.........................94
表6-5 電氣輸出: LED Strings 電壓/電流測量結果.............98

圖 目 錄

圖1-1 LED 背光模組燈串設計架構.............................2
圖3-1 LED 光輸出與溫度之關係曲線圖....................... 20
圖3-2 LED 最大電流量與光波長之關係曲線圖..................20
(a) 紅色系 LED ......................................... 20
(b) 綠、藍色系 LED ......................................20
圖3-3 兩種驅動電源之 LED 伏-安特性曲線圖 ................ 22
(a) 定電壓.............................................. 22
(b) 定電流.............................................. 22
圖3-4 兩種調光機制之驅動電流示意圖....................... 24
(a) 變電流控制 ......................................... 24
(b) 脈波寬度調變控制 ................................... 24
圖3-5 LED 的色差與驅動電流之關係曲線圖 .................. 25
圖3-6 LED 驅動 IC 穩流機制 .............................. 26
(a) 電流鏡.............................................. 26
(b) 線性穩流器 ......................................... 26
圖3-7 單組驅動電源之 LED 背光模組示意圖 ................ 28
圖3-8 典型 MOSFET 的 V-I 特性曲線....................... 28
圖3-9 LED 驅動機制與周邊電路簡單示意圖 ................. 30
圖3-10 各種隔離型轉換器之輸出端型式...................... 32
圖3-11 LED 背光燈穩流與調光控制電路 .................... 34
圖3-12 LED 背光燈穩流控制電路........................... 36
(a) 串列埠介面數位訊號調光控制電路 ..................... 36
(b) 穩流與數位訊號調光控制電路 ......................... 36
圖3-13 過溫保護及其附屬電路 .............................37
圖4-1 LLC 諧振式轉換器三種控制方式........................40
(a) 脈波寬度調變控制.................................... 40
(b) 頻率調變控制........................................ 40
(c) 負載、輸入電壓、輸出電壓變化基本操作................ 40
圖4-2 LLC 諧振式轉換器控制方式............................41
(a) 切換頻率為 f........................................41
(b) 切換頻率為2 f...................................... 42
圖4-3 LLC 諧振式轉換器................................... 46
圖4-4 LLC 諧振式轉換器模擬電路圖......................... 46
圖4-5 LLC 諧振式轉換器主要波形圖......................... 47
圖4-6 LLC 諧振式轉換器在第1階段〔 t0 ~t1〕動作圖........ 54
圖4-7 LLC 諧振式轉換器在第2階段〔 t1 ~t2〕動作圖........ 54
圖4-8 LLC 諧振式轉換器在第3階段〔 t2 ~t3〕動作圖........ 55
圖4-9 LLC 諧振式轉換器在第4階段〔 t3 ~t4〕動作圖........ 55
圖4-10 LLC 諧振式轉換器在第5階段〔t4 ~t5〕動作圖........ 56
圖4-11 LLC 諧振式轉換器在第6階段〔t5 ~t6〕動作圖........ 56
圖4-12 LLC 諧振式轉換器在第7階段〔t6 ~t7〕動作圖........ 57
圖4-13 LLC 諧振式轉換器在第8階段〔t7 ~t8〕動作圖........ 57
圖5-1 LED TV 背光模組燈串設計架構.........................60
圖5-2 多組發光二極體之電流平衡供電電路.................. 65
圖5-3 傳統多組發光二極體之電流平衡供電電路.............. 66
圖5-4 較佳實施例方塊示意圖電路.......................... 69
圖5-5 較佳實施例細部電路示意圖電路...................... 70
圖5-6 H-balance current sense 模擬圖電路................ 73
圖5-7 H-balance current sense 模擬電流結果.............. 74
圖5-8 LED 燈串驅動方式.................................. 76
圖5-9 LED 平均分配成許多燈串............................ 77
圖5-10 多燈串串聯....................................... 78
圖5-11 一般 LED 單邊驅動電路.............................78
圖5-12 LED 雙邊驅動電路................................. 79
圖5-13 LED 雙邊驅動電路電壓相位......................... 79
圖5-14 現行的 LED 驅動電路電壓.......................... 81
圖5-15 新型的 LED 驅動電路電壓.......................... 83
圖5-16 LLC Integrate H-balance Converter 設計電路....... 84
圖6-1 LED 背光模組燈串配置圖.............................85
圖6-2 LED BAR LED 顆粒的 Vf 特性........................ 88
圖6-3 LLC Integrate H-balance Converter 設計電路........ 89
圖6-4 新型的 LED 驅動電路............................... 90
圖6-5 新型的 LED 驅動 LED 輸出電流波形.................. 94
圖6-6 新型的 LED 驅動電路調光特性線性度................. 96
圖6-7 新型的 LED 驅動電路 Dimmer 振幅調光電流波形........96
圖6-8 新型的 LED 驅動電路 PWM Duty 調光電流波形......... 97

參考文獻

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