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利用200V SOI工藝有效降低LED TV背光方案成本           
利用200V SOI工藝有效降低LED TV背光方案成本
作者:Micchip 文章來源:網絡 點擊數: 更新時間:2011-2-18 8:47:59
    CCFL和LED是當前LCD僅有的兩種背光源,CCFL是傳統的背光方式,而LED作為LCD背光的后起之秀,正在迅速搶占LCD背光市場。

  電視機廠商和面板廠商之所以積極推動LED背光液晶電視,原因在于全球各國的耗電量規定以及其環保因素(不含汞等重金屬),再加上其輕、巧、薄等特點。LED作為電視背光關注度大幅提升,同時大大改善了LCD的性能,不少廠家甚至直接稱使用LED背光的LCD電視為“LED電視”,可見LED在顯示領域發揮著相當重要的作用。現在LED背光已被提到了一個相當重要的高度,因為它是節能降耗的關鍵,也是提升清晰度的關鍵,同時也因其價值不菲成為控制成本的關鍵。CCFL大勢已去,LED背光迅猛的增長速度已無可阻擋。

  LED取代CCFL勢如破竹,發展速度超乎人們的預想。DisplaySearch的調研結果顯示,2010年全球使用LED背光的液晶電視機達三千七百萬臺,約占LCD電視市場的20%份額。這個預測大大超過了之前的估計,以至于引起部分原材料短缺,比如導光板及其生產材料樹脂、光學板、半導體和電源用變壓器等部件的供應緊缺,否則2010年的LED電視市場規模還會更大。即便如此,2010年的LED液晶電視仍是2009年的10倍以上。

  液晶電視的LED背光模式

  液晶面板中LED背光的設置方式,主要有兩種:側投式和直投式。人們普遍認為直投式LED背光電視的畫面感更強。在直投式電視里,要用到數千個LED作為背光并被均勻地排列在整個顯示屏的背后。它們在明亮的圖像區域發出更強的光亮,并且在暗色彩區完全變暗,節約能源并最大限度提升圖像對比度,在圖片上產生強烈的對比效果,色彩分明。這種方案的不足之處在于:使用大量LED燈的同時還需要更多符合要求的LED驅動芯片,因此造成直投背光模式成本很高。鑒于該方案的高成本和高復雜度,如今的直投背光模式只應用在高端LED電視方面。

  另一種更常用的背光方式是側投式。側投式背光是將燈沿著液晶面板四周邊緣排列,與導光板結合均勻地將光線照射在整個面板上。由于側投式顯示所需要單獨控制的LED數量、組數比直投式少,所以在構建LED驅動方式時更有靈活性;無論高/低電壓均可使用,使得系統工程師能夠專注于性能和可行性方案的成本方面。由于具有成本低、性能優異以及機身較薄的優勢,目前側投式LED背光已占據了市場主導地位。表1簡單總結了這兩種背光模式的差異和優缺點。

  200V SOI工藝技術

  工程師選擇LED背光驅動芯片時,會發現市場上已經有眾多的供應商,但絕大多數供應商的產品都集中在40V~60V電壓等級范圍內,其原因在于40V的半導體工藝門檻比較低。這給OEM設計師在對系統構架選擇時帶來重大影響。使用40V的LED驅動芯片可以有兩個主要的設計方案:1)每路串聯不超過10顆燈;2)一些設計方案中串聯10顆燈以上。通常情況下,后一種方案會犧牲一定的可靠性,包括在故障條件下的保護功能,諸如發光二極管LED內部短路故障或過電壓擊穿,所以那些對可靠性和品質要求都很高的液晶電視廠家并不接受這種方案。

  為有效降低LED TV背光驅動方案的成本,芯凱電子科技有限公司(Kinetic Technologies)針對 LED背光和照明開發了全新的200V的SOI晶圓技術。與CMOS或BiCMOS工藝相比,SOI降低了寄生電容從而可以允許更高的速度和更低的功耗,同時也降低了噪音,沒有閉鎖問題。同時SOI在制造流程上與現有的CMOS工藝兼容,因此生產成本得到有效的控制。

40V LED驅動方案和200V LED驅動方案的背光結構

圖1 40V LED驅動方案和200V LED驅動方案的背光結構

高壓 SOI和高壓BCD工藝的比較

圖2 高壓 SOI和高壓BCD工藝的比較

  芯凱電子的200V SOI器件是制作于薄硅層上的二氧化硅(SiO2)絕緣層;其200V SOI工藝的晶體管器件被掩埋的氧化絕緣層和溝道隔離層所環繞。因為絕緣層將NMOS井和PMOS井隔離開,從而避免了常見的高壓閉鎖問題。同樣,掩埋的氧化絕緣層作為介質阻擋,防止基板漏電,并減少基板噪聲。

  將典型的高電壓BCDMOS和芯凱的200V SOI對比可發現,用于高電壓BCDMOS芯片需要很厚的保護環,這會使其芯片面積增加,達到芯凱同等電壓SOI芯片面積的三倍以上,如圖2所示。一個直觀的例子是,通常BCDMOS工藝里的LDMOS間的間距需要18um,而 SOI只有1.4um。

  SOI工藝的另一個優點是可以與低電壓器件兼容保存而沒有明顯的成本和大小差距。相反地,典型的BCDMOS工藝由于需要與低壓元件有很大間距,因而使得高低壓兼容的芯片成本大幅提高。當然SOI襯底材料成本相較于一般的CMOS或BCDMOS硅片更高,這無疑將被視為劣勢。然而,SOI里元件實現以及單芯片中高/低壓元件的有機結合,相比于典型的高壓柵極隔離工藝,SOI芯片會更小,因此SOI芯片的成本反而相當合理。

  基于200V SOI工藝的LED驅動方案

  根據LED驅動芯片的電壓等級和背光的要求,LED背光架構可分為少路多串聯和多路少串聯兩種。從電器特性來講,系統設計者可以選擇一路串聯很多個LED或者一串很少LED的結構。

  作為一個極端的例子,如果一個電視機里全部背光LED都串聯在一起,那就只需要一個單路的LED驅動芯片,LED的亮度會完美匹配。但是通常一個普通尺寸的液晶電視需要上百顆乃至數百上千的LED,驅動這樣一串LED所需的驅動電壓將達數百伏(>300V)甚至上千伏,這對家用電器的安全性和效率是一個很大的挑戰。另外,該方式無法對不同的LED進行調光,因此只能用于側投式的驅動架構。

  相應地,也可以采用很多通道但每個通道只有很少的LED串聯的方式,比如說,每路僅有十顆或更少LED串聯。這樣,同樣一個電視背光方案就需要幾十路甚至上百路的LED通道,需要可支持很多路LED驅動的芯片或芯片組,這樣以來,芯片成本的增加在所難免。當然,這種方式的好處是芯片選擇余地比較廣,設計安規達標不難。也有人認為,采用這種方式應該在功率轉換效率上有些優勢。但實際上由于LED的正向電壓降都不一致,有時在任意兩顆燈之間可能會有10%左右的電壓差別,用一顆驅動芯片去驅動很多路LED不一定在工作效率上會占有優勢。

  總體來講,這個控制架構會比前一種方式的系統成本高。不過,如果是直投式的話,因為點陣調光的需要,就必需使用很多路的LED通道,因而只能使用相對低壓的多路LED驅動芯片。從實際應用而言,為了成本和安規的緣故,更多的時候是使用折中方案,即幾路、每路幾十顆LED燈的控制方式。芯凱電子新近自主研發的LED驅動芯片KTD360,在這些方面取得了突破。

  KTD360是一顆高達200V的LED驅動芯片,可同時驅動6路并聯、每路60顆LED串聯、每顆LED電流可達150毫安。之所以選用200伏的SOI工藝,是因為很多系統廠商可以提高200V以下的高壓電源,也可以順利通過電視等安規的要求,從而在不犧牲效率的前提下大幅節省驅動成本。

  表2將芯凱200V驅動芯片與市場上常見的40V驅動芯片的成本進行了比較。從比較可見,200V的LED驅動芯片不僅可以大幅降低成本,還能減少驅動電路板的面積并簡化版圖布線。

  除了降低成本和簡化布線,KTD360還集成了一個與提供高壓驅動電源互動的反饋信號(FBO)來有效調節電壓,使得驅動電源電壓接近負載LED 的正向壓降,從而保證90%以上的效率。如圖3所示的37英寸電視背光方案,一顆KTD360可以驅動42x6 = 252顆(150mA)LED。其中驅動LED的高壓電源由KTC351升壓電源提供,但KTD360可以與其它任何一種帶有反饋接口的電源有效配合來驅動LED背光模組。

基于KTD360的37英寸電視背光范例

圖3 基于KTD360的37英寸電視背光范例

  這個案例每路驅動42顆功率LED 總共達900mA的LED的驅動電流。由于KTD360的智能反饋設計,整個驅動及電源系統包括KTD360 驅動電路、 KTC351升壓電路及所以得外圍元器件的總體效率在整個工作范圍(每路50mA到150mA)內都在90%以上,并在每路130mA(總共780mA)電流附近接近96%的高效率。如此的高效率是很多低壓方案都難以達到的。

KTD360+KTD351驅動方案的效率與每路LED電流(共6路)的關系

圖4 KTD360+KTD351驅動方案的效率與每路LED電流(共6路)的關系。

  本文小結

  LED電視將會隨著廠家新品牌的不斷推出而進一步高速發展,新的系統架構和元器件也將隨之大批涌現,電視廠家因此會有更多的選擇空間。但是由于市場價格的不斷降低,電視廠家的成本壓力也會變得越來越大。LED背光架構和驅動系統的選擇將會對電視的最終成本和品質產生巨大影響。與40V~60V的驅動芯片相比,使用100V到200V范圍的驅動芯片將會有效地降低LED驅動成本。

表1 側投式與直投式背光的優劣對比

側投式與直投式背光的優劣對比

表2 40V驅動芯片和200V驅動芯片的比較.

40V驅動芯片和200V驅動芯片的比較

文章錄入:ronalho    責任編輯:elvis 
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