Bakgrundsbelysning av displayer görs numera framför allt med LED-teknik och strömförsörjningssystemen måste driva ett stort antal lysdioder. Emir Serdarevic och Manjunatha Poojary från ams AG visar här vilka problem som finns och hur de kan bemästras.

Den snabba utvecklingen inom bildskärmar i storformat, t ex TV-mottagare och digitala skyltar, har inneburit stora förändringar i de krav som gäller för strömförsörjning. Lysdiodsystem (LED) ger hög effektivitet, samtidigt som det har blivit möjligt att ta fram ultratunna former. Dessa system har blivit den vanligaste ljuskällan för stora LCD-baserade displayer. Samtidigt har bildskärmstillverkarna svarat på stigande efterfrågan genom att bygga allt större skärmar – över 60 tum.

Det har inneburit att strömförsörjningssystemen för dagens bakgrundsbelysningssystem måste driva ett mycket stort antal lysdioder i multipla parallella strängar. Systemet måste också leverera en hög utspänning och en hög lastström. Likströmsmatningen på kretskortet i en bildskärm är till exempel oftast 12 V eller 24 V. Spänningen som krävs för att driva lysdiodsträngar är ofta 60 V, men den kan också vara högre. Beroende på panelens mått kan toppbelastningen vara så låg som 50 W och högre än 250 W. Dessutom varierar den här belastningen oavbrutet när lysdiodsträngarna varierar sin ljusintensitet som dynamiskt svar på bildinnehållet som visas.

Det skulle vara relativt enkelt att skapa en förstärkar-/omvandlarkrets som klarar dessa krav, om inga andra hänsyn behövde tas vad gäller själva konstruktionen. Men på den stora marknaden för LCD-skärmar är det två egenskaper som är av yttersta vikt. Först och främst måste den normala strömförbrukningen och strömförbrukningen i viloläge ligga inom allt snävare gränser som ställs upp av myndigheter, som t ex amerikanska energiverket samt EU-kommissionen. Detta betyder att förluster överallt i systemet måste hållas på ett absolut minimum, även i strömförsörjningen.

Den andra parametern är bildkvaliteten – i synnerhet vid återgivning av HD- och 3D-innehåll. Detta är ett av de viktigaste sätten för köparna att skilja emellan en modell av en storbildsskärm och en annan. En stabil och noggrant reglerad strömförsörjning till bakgrundsbelysningens lysdioder är en nödvändig komponent i ett bildsystem för hög kvalitet, så att systemet kan återge färger, kontrast och ljusstyrka på ett konsekvent sätt.

Förstärkar-/omvandlarkretsen måste därför dels uppfylla det grundläggande kravet att ge en hög utspänning och samtidigt stödja hög strömförbrukning vid toppvärden. Dessutom måste kretsen kunna fungera med hög effektivitet och klara en mycket exakt spänningsreglering, vid belastningar och omgivningsförhållanden som kan variera kraftigt.

Förstärkar-/omvandlarkretsens funktion
En typisk omvandlarkrets visas i fig 1. I den här kretsen omvandlas energi från ingången till utgången när ström passerar genom spolen L1 och växlar om S1 och S2.

Fig 1. En grundläggande förstärkar-/omvandlarkrets

I en idealisk strömförsörjningsenhet skulle det inte förekomma några förluster, och uteffekten är exakt lika hög som ineffekten. Men i verkliga världen måste ineffekten vara högre än uteffekten, eller I_in*V_in>I_ut*V_ut. V_in, V_ut och I_ut definieras av de krav som ställs på bakgrundsbelysningssystemet. Detta betyder också att I_in>I_ut*V_ut/V_in.

Effektivitet måste kombineras med noggrann spänningsreglering
I ett typiskt bakgrundsbelysningssystem måste en inspänning på 12 V förstärkas till 60 V vid utgången, och i 3D-visningsläge kan utgångsströmmen ha ett toppvärde på 3 A. Detta betyder att:
I_in > 3 A*60 V/12 V = 15 A

Helt integrerade förstärkar-/omvandlarkretsar (IC-kretsar) har inte märkvärden som stöder så höga strömmar, och därför krävs externa komponenter: en MOSFET-grind med N-kanal (S1 i fig 1) och en diod (S2 i fig 1).

Konstruktionen av en styrenhet för en sådan tillämpning måste alltså uppfylla vissa krav:
* den måste klara den höga toppström som krävs för att driva grinden i den externa MOSFET-grinden
* den måste se till att de höga toppströmmarna på kretskortet inte påverkar chipsets funktion
* den måste hålla en stabil växelströmsnivå i strömförsörjningen

För att klara hög effektivitet måste källan till förlusterna först identifieras, och därefter måste åtgärder vidtas för att minska dem. En stor del av förlusterna i strömförsörjningsenheten uppstår i de externa komponenterna. För att undvika en förstärkning av dessa förluster skall kretskortet planeras noggrant så att parasitisk induktans och resistans håller så låga värden som möjligt. Var särskilt uppmärksam på induktansen i matningskretsen – ju lägre den här induktansen är, desto lägre blir spänningstopparna under switchning. En kombination av hög kvalitet, komponenter med låga förluster och en god kretskortslayout bidrar mycket till att strömförsörjningens effektivitet.

Ytterligare en stor bidragande faktor till förluster är den energi som avges under drivningen av grinden i MOSFET-grindens N-kanal. Den här förlusten kan minimeras genom minskning av drivspänningens svängning. Fördelen i alla minskningar av drivspänningen måste balanseras med en motsvarande ökning i tillslagsresistansen hos MOSFET-grinden, som i sin tur ökar förlusterna i MOSFET-grindens ledning.

Snäva gränser för energiförbrukning kräver mycket hög effektivitet i strömförsörjningskretsen, som tidigare nämnts. Den andra kritiska funktionen hos dagens stora bildskärmar – bildkvaliteten – kräver noggrann och exakt lastreglering, i synnerhet under de mest extrema belastningsförhållandena, som t ex snabba övergångar från noll last till full last. I det här fallet skall styrenheten svara mycket snabbt för att hålla utspänningens fall så litet som möjligt, även när toppströmmen kommer från den största utgångskondensatorn. Dessutom skall strömförsörjningen vara stabil över bildskärmens hela lastströmsomfång.

Praktisk tillämpning som ger effektivitet och exakt reglering
De stränga kraven på bakgrundsbelysningen i bildskärmar, i synnerhet för stora skärmar, kan uppfyllas genom användning av en särskild förstärkare/styrenhet tillsammans med externa komponenter av hög kvalitet i en effektiv kretskortslayout.

AS1390 från ams (se fig 2) är en sådan enhet – en högeffektförstärkare/-styrenhet som stöder en matningsspänning (V_in) från 10 V till 30 V, och utspänningar från 30 V till 90 V. (Enheten innehåller också en buckomvandlare med en utsignal på 5 V.) Maximal lastström vid 12 V inspänning och 60 V utspänning är 3 A.

Fig 2. Här visas en typisk tillämpningskrets med AS1390B förstärkar-/styrenhet från ams (klicka här för större bild) .

Enheten innehåller ett antal specialfunktioner som gör den mycket lämpad för högeffektdrivning av bakgrundsbelysning. En minskning av spänningens svängning vid grinddrivningen minskar switchförlusterna: detta uppnås genom en linjär regulator (VDDM i fig 2) vars utspänning kan programmeras till 9 V, 11 V, 13 V eller 15 V. Effektiviteten kan förbättras genom att välja optimal tillslagsresistans och grinddrivspänning för MOSFET-grinden med N-kanal. Lägre värden på VDDM reducerar också de spänningstoppar som kan uppstå på grund av parasitisk induktans i kretskortet under switchning.

Den höga effektiviteten – mellan 85 % och 95 % – i en förstärkarkrets som regleras av AS1390 visas i fig 3 och 4.

Fig 3. AS1390, effektivitet jämfört med utgångsström vid Vin = 12 V
(klicka här för större bild)

Fig 4. AS1390, effektivitet jämfört med utgångsström vid Vin = 24 V (klicka här för större bild)

Noggrann och snabb lastreglering är avgörande för en TV-mottagares förmåga att ge hög bildkvalitet. AS1390 har mycket goda lastreglerande egenskaper som delvis kommer från dess sätt att implementera strömlägesreglering. Den här typen av reglering kan fininställas mycket enkelt: lutningskompenseringen kan ändras genom seriekoppling av en resistor till stiftet Sense (Avkänning). Spänningskompenseringen fastställs genom valet av de externa komponenter som ansluts till stiftet VCOMP. Genom en lämplig kombination av lutningskompenseringsresistor och spänningskompenseringskomponenter kan en dynamisk reglering utföras både noggrant och snabbt.

Fig 2 visar typiska inställningar. Här genererar AS1390 en transientdal som är mindre än 1,8 % vid Vin = 12 V och Vut = 60 V och över ett lastströmssteg från 0 A till 1 A. Transientdalen återställs till likströmsvärdet (DC-värdet) inom 1 ms.

Sammanfattningsvis kan sägas att AS1390 stöder implementering av en strömförsörjningsenhet för lysdiodbaserad bakgrundsbelysning som uppfyller de effektivitetskrav som ställs på bildskärmstillverkare. AS1390 ger samtidigt en noggrant reglerad spänning och har en snabb återgång från mindre spänningsfall under transientlaster.

Emir Serdarevic och Manjunatha Poojary, konstruktionsingenjörer (avdelningen för strömförsörjning och trådlösa system), ams AG

Filed under: Effekthalvledare