Mini-LED电源及背光控制系统设计

0 引言

近年来，Mini-LED领域备受行业关注，Mini-LED背光显示技术具有其他技术无法比拟的产业化优势，Mini-LED未来的发展方向涵盖了大、中、小尺寸LCD显示背光以及LED 显示屏等，从市场应用来说，Mini-LED 的应用主要有两大方向：一个是LED 显示屏市场；另一个则是背光应用市场。其中LED 显示屏以及大尺寸电视将成为Mini-LED 未来应用的主流产品。

Mini-LED 背光TV 因其分区多、画质优、造型薄已成为TV 行业重点预研方向之一。在使用同等灯珠规格可满足整机亮度的情况下，采用动态扫描方式控制LED 背光源，恒流驱动IC 对LED 分区进行矩阵式控制，可极大减少背光恒流驱动IC 使用数量，降低系统成本，大大提高了产品的竞争力。目前随着Mini-LED 灯珠成本的下降，以及生产工艺的提升，Mini-LED 作为TV背光源的可量产性也大大提高。

1 Mini-LED系统设计原理

随着显示技术的不断发展，LED TV 对画质的要求日益提高，Mini-LED TV 背光技术已成为近期的热点技术，行业内各厂家已经投入较多的资源研究开发。为了开发出高性价比、系统优的新品类Mini-LED背光TV 产品，做好背光驱动、背光控制、电源供电等技术，设计了一种系统较优的Mini-LED 背光TV 背光驱动及电源系统的设计方案，如图1 所示。

图1 Mini-LED系统设计原理图

Mini-LED 显示系统硬件平台主要由主板、电源板、MCU 控制板、T-CON 板及灯板组成。其中，市电（一般为AC 220 V）通过AC 交流插座给电源板供电，电源板工作后给主板、T-CON 板、MCU 控制板及灯板供电，是Mini-LED 整机系统的供电设备。

主板为MCU 控制板提供控制信号（SPI 通信）及电源待机信号。MCU 控制板一部分为扫描控制开关电路，用来实现灯板的扫描控制，采用扫描控制方式后，可大幅减少恒流IC 控制数量；另一部分为灯板SPI 通信，实现灯板的区域调光功能。

2 Mini-LED电源及背光控制关键技术

2.1 分立式双电源供电系统设计

目前行业中高压供电系统的电源部分易于设计，系统灯数多，为了使系统最优，电源设计采用分立式低压大电流双电源供电系统架构，以减少灯数，同时，电源通过模组灯条双路电压反馈方式实时调节输出电压，做到恒流芯片开通低损耗，有效降低恒流IC 的热损耗。电源系统框图如图2 所示。

图2 高效分立式双电源供电系统框图

① PFC 电路

采用交错式PFC 方案，降低PFC 功率器件的电应力和热损耗。

② LED 灯供电电源

采用分立式双电源半桥谐振软开关技术（LLC），如图2 所示LLC 电路1 和LLC 电路2，结合次级大电流同步整流电路1 和同步整流电路1，输出Vout1 和Vout2 给LED 灯板供电。采用分立式双电源供电系统可提高主电源效率，降低低压大电流引起的热损耗。如图2 红框内所示电路。

③主板供电电源

采用半桥谐振软开关技术（LLC），输出+12 V 给主板供电，同时通过T-CON 切换电路，给屏体玻璃T-CON 板供电；输出+20 V，给主板功放供电。

④待机电源

采用间歇振荡模式（Burst mode）方案提高轻载和待机效率，一方面输出+5 VSB 给主板做待机电源，做到待机低功耗，另一方面给恒流控制板供电。

2.2 背光源的动态扫描技术

1）动态扫描技术原理

Mini-LED 背光TV 因其分区多、画质优、造型薄已成为TV 行业重点预研方向之一。目前带有区域调光（local dimming）技术的电视，一般都采用静态方式控制，恒流驱动IC 对LED分区进行点对点控制，当分区数较多时，采用静态控制方式背光恒流IC 用量较多，电路成本较高，连接线多且工艺较为复杂。在使用同等灯珠规格可满足整机亮度的情况下，采用动态扫描方式控制LED 背光源，恒流驱动IC 对LED 分区进行矩阵式控制，可极大减少背光恒流驱动IC 使用数量，降低系统成本，大大提高产品的竞争力。

由于分区多，采用传统静态控制方式，恒流控制IC 数量多，热损耗大，成本高，因此，在TV 行业内采用扫描方式实现灯板的控制，该方案采用扫频LED 共阳极方式设计，由扫描MOS 管分时控制LED+ 的开通与关断，MCU 控制板对LED 分区进行矩阵式控制。在此，以聚积48CH的恒流驱动IC，以N 扫描方式设计为例，扫描方式的原理框图如图3 所示。

图3 Mini-LED扫描原理图

该系统采用N 行动态扫描方式设计，扫描方式的原理框图具体参见图3。LED 灯条的阳极供电VLED 由N个MOS 管控制，MOS 管的驱动由MCU 控制器模块端口提供。当MCU 控制器模块及恒流驱动板的供电VCC稳定后，MCU 控制模块对恒流驱动板进行寄存器初始化，初始化完成后，MCU 控制模块检测是否有主板SPI数据输入，若有，则将数据信息分配到相对应的恒流驱动板中，若无数据输入，MCU 控制模块保持等待状态，所述数据信息包括LED 灯条的亮度及调光信息等。MCU 控制模块通过检测GCLK 信号作为计数信号，依次控制行扫描MOS 管的开通与关断，行扫描的开通顺序为行扫1 到行扫N，不断地循环开通，恒流驱动通过对LED- 端口的开通与关断，精确控制每一个LED 灯分区，每一帧画面亮度信息的切换通过Vsync 信号实现，当检测到Vsync 信号为高电平时，恒流驱动板刷新一次画面亮度信息，通过以上可实现对LED 背光源的动态扫描控制，从而到达减少恒流驱动板数量，降低系统成本的效果。

该方案支持4 线SPI 通信，通信从CS_N 由高到低转换开始，串行数据输入（SDI）上的数据在串行时钟（SCLK）的上升缘锁存。该协议由4 比特读/ 写命令、12 比特内存地址（Address），和16 比特数据（Data）组成，地址和数据从最高位（MSB）先发送，时序如图4 所示。

图4 Mini-LED SPI时序图

2）MCU 控制及扫描切换技术

本方案采用低成本的MCU 控制方式替代业内普遍使用的FPGA 方案控制，SPI 频率可支持到100 MHz，满足系统传输数据要求，并为后续预留了一定的扩展空间。同时，设计开发扫描低延时切换扫描电路，满足系统恒流控制扫描切换的要求。MCU 控制及扫描切换技术系统如图5所示。

图5 MCU控制及扫描切换技术系统框图

3 结束语

本文详细介绍了新型显示技术Mini-LED 背光在TV 上应用时的电源及背光控制系统，并给出了关键技术原理，即扫描控制背光区域调光技术、高效分立式双电源供电系统设计及MCU 控制及切换技术，满足系统设计要求，是一种系统较优的Mini-LED 背光TV 背光驱动及电源系统的设计方案，对Mini-LED 电视的开发及推广应用具有重要的借鉴和参考意义。

参考文献：

[1] 钟炎平,电力电子电路设计[M].武汉:华中科技大学出版社,2010.

[2] 康华光,电子技术基础[M].北京:高等教育出版社,2009.

[3] 张占松,蔡宣三.开关电源的原理与设计[M].北京:电子工业出版社,2004.

（本文来源于《电子产品世界》杂志2021年10月期）