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LED最佳運作點

2016年03月14日  | Donald Schelle/德州儀器(TI)

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為了創造LED燈具或LED背光設計最佳表現,在許多方面都得有所權衡,在瞭解LED功率轉換特質後,對於成本、功耗與重量的選擇會更加明智。多數LED產品說明書內含相關資料,有助於決策,但格式卻未必能直接對應於應用中。為創造最佳效能,必須從製造商的LED產品說明書內尋找相關資訊,並運用其他方式捕捉、調整格式與分析資料。


一項案例研究使用典型平板電腦LCD背光應用,驅動十吋顯示器與16:9比例畫面,案例中驅動背光的LED為Nichia NNSW208CT。現代行動裝置的常見顯示器的最大亮度光源可達650尼特,但穿越顯示器內建的物理元素時(散光片、偏光鏡、RGB色彩濾鏡、觸控面板ITO等),多數LED光線都會損耗,現代顯示器堆疊損耗比例約95%。本案例的裝置使用25 mA的建議定驅動電流時,光線為10.398流明,LED最低數量計算方法請見公式1。


公式1:LED最低數量計算方法。
公式1:LED最低數量計算方法。

若固定轉換率K=1550.0031,依據上述設計需求,至少需要35顆LED,以每串5顆LED、共7串設計雖可滿足需求,但由於市面上多數LED驅動器晶片只能驅動6串,因此將LED數量增為36顆,即可使用市售LED驅動器,在100%驅動器效能條件下,驅動36顆LED達到最大亮度的功耗為2.56W。


LED效能、色偏、熱能特質為重要資料項目,LED產品說明書內鮮少提供效能與正向電流,規格中也很難找到效能資料列表。但只要使用現有的IF對VF、光度對IF曲線,再加上特定IF下的一般流明輸出(IF=20mA時為8.4流明),就能相對簡單地計算出這項重要資訊,製造商產品說明書內含所有必要資料。


首先利用預先定義的LED電流,將產品說明書的圖表(圖1)匯入/數位化,變更為試算表格式,免費軟體工具可加速流程,並在預設的X軸變化下,將Y軸資料數位化,因此計算出效能。


圖1 計算理想LED運作點的基礎圖表。
圖1 計算理想LED運作點的基礎圖表。

經過數位化與列表後,LED通量輸出(ΦV)、LED功耗(PLED)與效能(η)都能在LED正向電流(IF)下計算出來(圖2),只要相對低的正向電流,即可達到峰值效能,並隨著正向電流逐漸接近最大額定量而持續下滑。


圖2 LED通量輸出、功耗與效能均可計算及繪製。
圖2 LED通量輸出、功耗與效能均可計算及繪製。

降低功率需求對電池供電應用大有助益,因為以較低的正向電流運作較多LED,故在固定光源輸出條件下,功率可達淨減,表1整理原始應用需求,並對比三種LED替代組態。


表1 背光設計比較研究。
表1 背光設計比較研究。

成本與機械量需求可能限制最終組態,但LED數量翻倍後,功率可節省160mW,相當於功率淨減6.3%,此外,週遭光線條件(戶外/白天)將需要增強背光圖像亮度(功耗增加)。


圖3說明隨著LED資料點增加的功率節約趨勢,其中圓點在曲線兩側都會出現,每個LED過驅動將減少所需數量,因此降低顯示器模組價格,對於在意成本的應用格外有利。降低LED運作亮度時,需要100%工作週期與降低電流,若使用傳統脈衝寬度調變架構,以最大LED電流驅動時,效能並未改善。


圖3 LED功率分析顯示,LED數量越多功率越低。
圖3 LED功率分析顯示,LED數量越多功率越低。

在背光應用中,較低電流的白點偏移是另一項副作用,現代LED幾乎已無色移,LED色移參數數位化(圖4)後,再將MacAdam橢圓疊加在運作範圍中心,更突顯出這一點,在5mA至25mA的正向電流運作時,單階MacAdam橢圓即可涵蓋所有LED色彩,其中色彩與一般觀眾所見相同。


圖4 白點位移與LED電流關係圖。
圖4 白點位移與LED電流關係圖。

只要使用LP8555等LED驅動器,驅動LED大型陣列即相對簡單(圖5),該元件最高可驅動96顆LED,適合最大型的行動顯示器,亦能夠驅動上述所有組態,為了維持一致畫質,2%串到串匹配(string-to-string matching)為關鍵,雙升壓架構提高電力效能,同時降低相關電感的實體高度。


圖5 LP8555能驅動大型LED矩陣。
圖5 LP8555能驅動大型LED矩陣。

此外,這項裝置使用12項電流汲取輸入,LED串聯因此更短,讓升壓轉換器驅動LED時,電子運作效能更高,自動調光、隨內容調整背光等功能也能在各種運作模式內,進一步提高電子效能。


結論

為了節省能源,主要目標是在應用最常見的運作模式中,調整LED運作點,LCD背光應用雖然是本文焦點,但任何LED照明應用若以效能做為主要表現考量,也可以輕鬆應用其中概念。





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