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LED-Backlight-Treiber

Inhaltsverzeichnis

1. Allgemeines

Treiberschaltungen für LED-Backlights (Hintergrundbeleuchtung) haben eine hohe Anzahl von LEDs ( bis über 300) zu versorgen. Da LEDs schon bei kleinen Änderungen in dem sie durchfließenden Strom mit sichtbaren Änderungen in der Helligkeit reagieren, gilt es alle LEDs in einem Display mit absolut gleichen Betriebsbedingungen zu versorgen.

Die hier beschriebenen Treiberschaltungen setzen alle auf zwei Strategien um dieses zu gewährleisten:

  • Möglichst viele LEDs werden in Reihe geschaltet betrieben damit sie vom gleichen Strom durchflossen werden. Die Anzahl der LEDs in einem Strang ist abgängig von der Höhe der zur Verfügung stehenden Betriebsspannungen.
  • Alle LED-Stränge werden an einer stabilen Betriebsspannung mit einer Konstantstromquelle betrieben.

Dynamischer Kontrast

In vielen Datenblättern von Bildschirmen werden zwei Kontrastwerte angegeben. Der statische Kontrast definiert  das Verhältnis der Lichtstärke zwischen dem hellsten und dem dunkelsten Lichtpunkt eines Displays. Dieser Wert wird ausschließlich von den Eigenschaften des Flüssigkristalls und der Konstruktion der LCD-Zellen bestimmt.
Als zusätzlicher Wert wird der dynamische Kontrast angegeben und als Herausstellungsmerkmal sehr beworben. Um die Kontrastwerte zu erhöhen wird bei der dynamischen Kontrastregelung abhängig vom Bildinhalt die Helligkeit der Hintergrundbeleuchtung verändert. Bei überwiegend dunklen Bild wird die Hintergrundbeleuchtung gedimmt um den Schwarzwert zu verbessern. Bei überwiegend hellem Bildinhalt wird die Hintergrundbeleuchtung zusätzlich verstärkt um den Bildeindruck aufzuhellen. Diese dynamische Kontrastregelung darf natürlich nur bei bewegten Bildern aktiv sein. Bei statischen Bilder, z.B. bei Computerdisplays, sollte die dynamische Kontrastregelung abgeschaltet werden.
Die Werte vom statischen und dynamischen Kontrast dürfen auf keinesfalls miteinander in  einen Vergleich gesetzt werden, da der dynamische Kontrast sehr subjektiv und in der Praxis wenig aussagefähig über die Qualität eines Bildschirms ist.

2. LED-Treiber mit Bipolar-Transistoren

Die erste Beispielschaltung (Abb. 01) zeichnet sich dadurch aus, dass die Betriebsspannung zur Versorgung der LED-Hintergrundbeleuchtung mit 12V  recht niedrig ist. Daher eignet sich diese Schaltung hervorragend zum Einsatz in batteriebetriebenen Geräten oder mit bereits bestehenden Schaltungskonzepten, die zuvor mit Displays mit CCFL-Hintergrundbeleuchtung ausgestattet waren (die Inverter zur Ansteuerung der CCFL arbeiteten auch meist mit 12V oder 24V).

Die gesamte Treiberschaltung besteht aus zwei Funktionsgruppen: einem Step-Up-Wandler zum Erhöhen der Betriebsspannung und den Konstantstromquellen, die den Strom durch die LEDs steuern.
Da die Betriebsspannung für die Versorgung des LED-Backlight mit 12V recht niedrig ist, ließen sich so direkt nur wenige LEDs hintereinanderschalten und vom gleichen Strom durchfließen. Daher wird die LED-Betriebsspannung mit einem Step-Up-Wandler aufgestockt. Die grundlegende Funktionsweise von Step-Up-Wandlern ist im Artikel "Netzteilschaltungen - Aufwärtswandler" beschrieben. In dieser Beispielschaltung wird die LED-Spannung "LED+" auf 36V (bezogen auf Masse) aufgestockt.
Das Backlight dieses Displays besteht aus insgesamt 144 weißen LEDs mit einer Vorwärtsspannung von 3,2V. In 16 Strängen sind jeweils 9 LEDs in Reihe geschaltet. An der Kathodenseite jeden Stranges befindet sich ein Bipolartransistor (Q10, ff.) in Emitterschaltung. Die Basis zieht über den Vorwiderstand R12 aus einer stabilen Spannungsquelle (Z1/T1) soviel Strom, dass sich über dem Emitterwiderstand (R14, ff.) eine Spannung von ca. 3V einstellt.  Mit einer konstanten Spannung an der Basis und der Spannungsgegenkopplung über den Emitterwiderstand wirkt die Schaltung wie eine Konstantstromquelle mit den LEDs als Last. Die Summe der Vorwärtsspannung der LEDs in einem Strang beträgt 9 x 3,2V = 28,8V. Somit ist mit etwa 4V UCE über den Transistor ausreichend Regelreserve vorhanden um den Strom durch die LEDs konstant zu halten.

Sollte eine der LEDs einen Kurzschluss bekommen, kann dies zu einer Überlastung der restlichen Dioden im Strang führen. Daher wird die Kollektorspannung jedes Transistors überwacht. Bei einem Kurzschluss erhöht sich die Kollektorspannung zunächst um den Wert einer Vorwärtsspannung, also 3,2V. Zusätzlich versucht die Konstantstromquelle den verminderten Innenwiderstand (-> Erhöhung des Stroms) der Last zu kompensieren, was die Kollektorspannung zusätzlich ansteigen lässt. Nun schaltet die Diode D10 (ff.) durch, Transistor Q3 (ff.) erhält eine positive Basisspannung und schaltet ebenfalls durch. Dabei legt er den ENABLE-Pin des Wandler-IC's IC1 an Masse, was den Wandler und somit die gesamte Hintergrundbeleuchtung sofort abschaltet.

Abb. 01: LED-Treiber mit Step-Up-Wandler und Konstantstromquellen
Abb. 01: LED-Treiber mit Step-Up-Wandler und Konstantstromquellen [1]

Der LED-Treiber ist über zwei Signale mit dem System-Controller des Gerätes verbunden. Mit dem Signal "BK ON" wird die Hintergrundbeleuchtung angeschaltet in dem der ENABLE-Pin des Wandler-IC's auf H-Pegel gelegt wird.
Das Signal "DIM" kann eine benutzergesteuerte, vom Umgebungslicht oder vom Bildinhalt ("dynamischer Kontrast") abhängige PWM (Pulsweitenmodulation) mit der die Helligkeit der Hintergrundbeleuchtung beeinflusst werden kann. Unterschreitet die PWM ein bestimmtes Tastverhältnis (zu kurze ton-Zeit) wird über R36 der ENABLE-Pin auf ein so niedriges Potential gezogen, dass der Wandler abschaltet.

3. LED-Treiber für Edge-Backlight

Abb. 02 zeigt die eine Hälfte einer Treiberschaltung für ein LCD-Display mit Edge-Backlight. Bei diesem 40''-Display kommen vier LED-Module mit je 36 weißen LEDs zum Einsatz, insgesamt also 144 LEDs. Jeweils zwei LED-Module befinden sich am oberen und unteren Displayrand. Jedes LED-Modul wird aus einer eigenen geschalteten Konstantstromquelle gespeist. Aus konstruktiven Gründen befinden sich immer zwei geschaltete Konstanstromquellen zusammen mit einer Schutzschaltung und einigen Hilfsschaltungen auf einer Platine. Die Speisung der Hintergrundbeleuchtung dieses Displays erfolgt also aus solchen zwei Treibermodulen.
Das Treibermodul wird vom Netzteil des Gerätes mit zwei Betriebsspannungen versorgt: Die VLED mit 190V DC speist die beiden LED-Stränge und die Niederspannung VCC mit 12V speist die Treiber ICs IC10, IC20 und die Hilfsschaltungen. Beide Betriebsspannungen können auf der Platine mittels der von der Schutzschaltung angesteuerten Transistoren Q24 und Q25 abgeschaltet werden.

Abb. 02: Schaltbild eines von zwei LED-Treibermodulen
Abb. 02: Schaltbild eines von zwei LED-Treibermodulen [2]

Das Prinzip der Beispielschaltung ist das einer getakteten Konstantstromquelle. Die Funktion der Konstantstromquelle übernimmt hier ein Step-Down-Wandler, der den LED-Strom direkt überwacht und ausregelt. Eine ähnliche Schaltung wird im Artikel "Konstantstromquellen - LED-Treiber mit Schaltreglern" beschrieben. Allerdings können an der hier beschriebenen Schaltung aufgrund der wesentlich höheren LED-Betriebsspannung erheblich mehr LEDs betrieben werden.


Treiberstufe

Die folgende Schaltungsbeschreibung bezieht sich auf die in Abb. 02 links gezeigte Treiberschaltung. Weitere Treiberschaltungen sind identisch aufgebaut.
Der aus 36 LEDs (LED100 - LED135) bestehende Strang liegt mit seiner Anodenseite auf einer festen Betriebsspannung (VLED'') von 190V. Diese wird vom Schaltnetzteil des Gerätes geliefert. Die Kathodenseite geht über die Wandlerdrossel L101 auf das Drain des MOSFET-Schalttransistors Q11. Die Ansteuerung des Q11 erfolgt mit einer PWM von 180kHz (= Periodendauer 5,55 µs) aus dem IC10. Ist der Transistor eingeschaltet, fließt ein Strom aus der VLED'' durch die LEDs, den Schaltransistor Q11 und den Sourcewiderstand R107 nach Masse. Der Strom erzeugt über R107 einen proportionalen Spannungsabfall, der als Stellgröße das Tastverhältnis der PWM beeinflusst. Hierzu wird die Spannung über den Widerstand R106 an den "Current Sense"-Pin (CS, Pin 4) gelegt. Erreicht die Spannung am Pin 4 (CS) einen im IC von einer Referenzspannungsquelle und der Spannung über den Softstartkondensator C105 vorgegebenen Schwellwert, wird Q11 von der Steuerlogik im IC gesperrt. Die Sperrzeit (toff) ist fest über R105 festgelegt. Sobald Q11 sperrt, bricht das Magnetfeld in der Wandlerdrossel zusammen und die dabei induzierte Spannung treibt einen Strom in gleicher Richtung über die Schottky-Diode D104 in die LED-Kette. Der Strom durch die LED-Kette wird somit niemals Null (nichtlückender Betrieb oder Continous Mode). Daher steht über den LED-Strang bei 100% Backlight eine nahezu konstante Spannung von 115V DC, was der Summe der Vorwärtsspannungen des LEDs entspricht.

Dimmen

Die Hintergrundbeleuchtung in Abb. 02 kann auf zwei Wegen unabhängig voneinander in der Helligkeit gedimmt werden. Zum umgebungslichtabhängigen oder benutzergesteuerten Dimmen der Hintergrundbeleuchtung wird vom System-Controller eine Pulsweitenmodulation "PWM" mit einer Frequenz von 400 Hz erzeugt. Diese überlagert die hohe Schaltfrequenz (180kHz) des Step-Down-Wandlers. Dieses wird durch ein Ein- und Ausschalten der Ausgangsstufe mit dem PWM-Signal vorgenommen.  Entsprechend den Tastverhältnis der PWM werden die LEDs dann kurzzeitig ausgeschaltet (Abb. 03).

Abb. 03: Statischen Dimmen über das Signal "PWM"
Abb. 03: Statischen Dimmen über das Signal "PWM"

Die dynamische Helligkeitssteuerung der Backlight-LEDs zur bildinhaltabhängigen dynamischen Kontrastregelung wird über eine zweite Pulsweitenmodulation, dem Signal "DIMMER", das vom Imageprozessor kommt, vorgenommen. DIMMER hat eine Frequenz von ca. 10 kHz und eine Variation des Tastverhältnisses von ca. 20% (100% Helligkeit) bis ca. 70% bei 50% Helligkeit der Hintergrundbeleuchtung.
In einer Hilfsschaltung mit FET Q22 wird DIMMER zunächst invertiert und einem aktiven Integrator aus IC202 und Q23 in der Flankensteilheit verzögert.
Die Kollektorspannung von Q23 wird von den Spannungen über den Softstartkondensatoren C105 und C205 gebildet. Schaltet Q23 durch, was während der ton-Zeiten von DIMMER geschieht, werden die Softstartkondensatoren entladen. Die Spannung über den Softstartkondensatoren bestimmt jedoch die Schaltschwelle der Strombegrenzung des Laststroms durch die LEDs. Je länger die ton-Zeiten sind, desto mehr werden die Softstartkondensatoren entladen und desto kürzer sind die Einschaltzeiten von Schalttransistor Q11, wodurch sich der Strom durch die LEDS verringert. Um den Schalttransistor Q11 vor zu kurzen Schaltzeiten zu schützen, schaltet das IC10 die Ansteuer-PWM zum Q11 bei Spannungen von unter 1V über den Softstartkondensator ab.

4. Ansteuerung und Treiber für Scanning Backlight

(z.B. Sharp T-Edge-LED-Backlight)

Ein immer wiederkehrendes Problem bei der Ansteuerung von LCD-Panels mit einem Videosignal entsteht, wenn der Bildinhalt auf dem Display mit neuen Daten überschrieben werden soll. Dabei kann es zu kurzzeitigen Störungen (Bewegungsunschärfen) kommen, die die Bildqualität beeinflussen können. Eine neue Scanning Backlight-Technik kann diese Effekte weitgehend beseitigen.
Ausgehend davon, dass das Display von oben links nach unten rechts beschrieben wird, teilt diese Technik das Bild in vier oder mehr horizontal angeordnete Bereiche auf. Das Licht jedes einzelnen Bereichs wird von einer eigenen Lichtverteilerplatte begrenzt. Die LEDs der Hintergrundbeleuchtung sind seitlich, also an den kurzen Kanten der Lichtverteiler angebracht und können gemeinsam als ein Block angesteuert werden.
Das Prinzip der Scanning Backlight-Technik ist es, die LED-Hintergrundbeleuchtung in dem Zeitraum, wenn die neuen Daten geschrieben werden, jeweils bereichsweise abzuschalten. Durch diese Dunkeltastung eines Bildschirmbereiches können die beim Schreiben entstehenden Störungen nicht mehr wahrgenommen werden.

Abb. 04: Prinzip des Scanning Backlight
Abb. 04: Prinzip des Scanning Backlight

Die praktische Umsetzung der Scanning Backlight-Technik ist recht aufwendig. Da sich die LEDs an den kurzen Seiten der Lichtverteilerplatten befinden, müssen für eine gleichmäßige Ausleuchtung des Displays mehr (hier 320) oder stärkere LEDs eingesetzt werden als bei klassischen Edge-Backlights bei denen sich die LEDs am oberen und unteren Rand befinden. Die langen Kanten der Lichtverteilerplatten müssen lichtdicht sein, weil sonst austretendes Streulicht den dunkelgetasteten Bereich indirekt beleuchtet und auch eine ungleichmäßige Helligkeitsverteilung ("Mura") verursacht.

Leistungsteil

Die Ansteuerung der LEDs in Blöcken erfordert eine blockweise Regelung und Überwachung des LED-Stroms. Daher werden in der Beispielsschaltung (Abb. 05) acht spezielle monolithische Schaltungen BD9203EFV  (IC101, 201 ...) eingesetzt, die jeweils theoretisch bis zu sechs LED-Stränge aus einem Step-Up-Treiber versorgen. In dieser Schaltungsvariante sind es nur zwei Stränge mit jeweils 20 LEDs. Wie in vielen Schaltungen für LED-Treiber erzeugt jeder Step-Up-Wandler aus einer niedrigeren Eingangsspannung (VIN) eine höhere, fast konstante Ausgangsspannung (VLEDx). Die Höhe der Ausgangsspannungsspannung richtet nach die Anzahl der LEDs in einem Strang und deren Vorwärtsspannung. In der vorliegenden Schaltung sind es 65V. Die höchste erlaubte Ausgangspannung kann über den Spannungsteiler des Überspannungsschutzes R131/R132 vorgegeben werden.
Integrierte FETs an den Fußpunkten der LED-Ketten dienen als dynamische Widerstände ermöglichen es den Strom durch jeden Strang zu messen. Es sind maximal 150mA pro Strang erlaubt. Der Gesamtstrom in allen Strängen wird mit R144 definiert. Ein analoges Dimmen, direkt über den LED-Strom ist durch Beeinflussung der Referenzspannung VREF mit einer Gleichspannung möglich.
Abweichungen vom Sollstrom werden mittels einer PWM (Pulsweitenmodulation), die die Einschaltzeit des Schalttransistors Q101 bestimmt, durch Änderung der Ausgangsspannung VLEDx kompensiert. Die Frequenz der PWM (ca. 600kHz) wird mit R140 eingestellt. Ein Softstartkondensator C142 lässt die PWM beim Starten des Wandlers, aber auch beim Dimmen und nach dem Dunkeltasten eines Displaysbereiches, sanft, mit kurzen Einschaltzeiten von Q101, anlaufen.
Da der Regelkreis über den LED-Strom beim Starten des Wandlers, beim Dimmen und nach dem Dunkeltasten nicht sofort "aufsteht" (d.h. einschwingt), darf der LED-Strom nicht als alleinige Stellgröße verwendet werden, weil der Strom durch den Schalttransistor Q101 zu schnell und zu stark ansteigen würde. In solchen Situationen wird zusätzlich eine Strombegrenzung wirksam. Der Strom durch Q101 wird über dessen Source-Widerstand R126 gemessen. Überschreitet der Strom den zulässigen Wert, wird der Einschaltzyklus des Schalttransistors vorzeitig beendet.

Schutzschaltung des Leistungsteils

Um einen sicheren Betrieb der Schaltung zu gewährleisten, werden wichtige Parameter überwacht. Neben dem bereits zuvor beschriebenen Überspannungsschutz der VLEDx wird auch die VIN auf Unterspannung überwacht. Der Spannungsteiler R122/R123 erzeugt hierzu eine proportionale Teilspannung, die einem Unterspannungsdetektor (UVLO = Undervoltage Lookout) zugeführt wird. Eine weitere Detektorschaltung an den Fußpunkten aller LED-Stränge kann über den LED-Strom und der anliegenden Spannung erkennen, ob ein LED-Strang unterbrochen ist oder eine LED einen Kurzschluss aufweist.
Eine Unterspannung der VIN, eine Überspannung der VLED1  oder ein Schluss/Unterbrechung eines LED-Strangs führen zum Ansprechen einer Schutzschaltung, die den Step-Up-Wandler komplett abschaltet. Diese Schutzschaltung besteht aus dem p-Kanal-MOSFET-Schalttransistor Q102 und den n-Kanal MOSFETs Q103 und Q104. Im normalen Betrieb liefert die Steuerlogik (Control Logic) des IC101 am Pin "FAIL" einen L-Pegel. Die führt dazu, dass Q104 sperrt und Q103 leitend wird. Hierdurch wird das Gate des Qx02 gegenüber dem Drain negativ. Qx02 schaltet durch und der Leistungsteil des Wandlers kann arbeiten.
Im Falle eines Fehlers  liefert das IC am Pin "FAIL" einen H-Pegel, was Q104 leitend macht und Q103 sperrt. Das Gate des Q102 wird über Rx01 positiv. Q102 sperrt, der Leistungsteil des Wandlers und die LEDs werden abgeschaltet. Erst nach einem Reset des ICs, was nur durch ein Abschalten der Betriebsspannung VIN/VCC1 erreicht wird, kann der Wandler neu starten.

Abb. 05: Scanning Backlight-LED-Treiber (2 von 8) mit Ansteuerung durch ein CPLD
Abb. 05: Scanning Backlight-LED-Treiber (2 von 8) mit Ansteuerung durch ein CPLD [3]
Ansteuerung der LED-Treiber

Werden bei Standard-LED-Backlights nur die vom System-Controller erzeugten Steuerfunktionen AN/AUS und DIM (für Dimmen mit PWM) benötigt, ist der Aufwand der Ansteuerung der LED-Treiber bei Scanning Backlight ungleich größer. Da ja der Bildschirmbereich in dem die Daten erneuert werden über das Backlight dunkelgetastet werden soll, ist eine Synchronisation des Backlights mit dem Schreibvorgang des Bildspeichers erforderlich. Diese Synchronisation und die Generierung der zeitgesteuerten PWM zur Steuerung der LEDs erfordert eine sehr komplexe Logik, die in der Beispielschaltung mit einer CPLD (Complex Programmable Logic Device = Komplexer programmierbarer Logikbaustein) realisiert wurde.
Die allgemeine Kommunikation des CPLD mit dem System-Controller findet über einen I2C-Bus statt. Zur Synchronisation der Dunkeltastung erhält das CPLD die Vertikal-Synchronsignale aus dem Videoteil. Weitere kommen vom System-Controller sind die bekannten Backlight AN/AUS- und DIM- (OFM) Signale. Zum System-Controller geht eine Fehlerinformation "ERROR". Dieses Signal wird vom CPLD erzeugt wenn einer der acht LED-Treiber-ICs das "FAIL"-Signal erzeugt (Eingangsinformation am CPLD: "ERRinx").
Als Ansteuersignale für die LED-Treiber-ICs liefert das CPLD je ein explizites Enable-Signal "STBx" und jeweils zwei PWM-Signale (PWM1 und PWM2). Jedes PWM-Signal beeinflusst den LED-Strom in jeweils einem LED-Strang.

Das globale, benutzergesteuerte oder vom Umgebungslicht abhängige Dimmen (über das OFL-Signal vom System-Controller) wird analog direkt mittels einer Gleichspannung an den VREF-Pins der Treiber-ICs vorgenommen. Das CPLD wandelt hierzu die PWM des OFL-Signals in ein 8-Bit Datenpaket um. Dieses lädt der CPLD in das Eingangsregister des DA-Wandlers IC111, der daraus zwei dem digitalen Wert entsprechende Gleichspannungen generiert.

REFERENZEN

Abbildungen

[1] "Abb. 01: LED-Treiber mit Step-Up-Wandler und Konstantstromquellen"
Quelle: Datenblatt und Applikationen zum Micrel MIC2129

[2] "Abb. 02: Schaltbild eines von zwei LED-Treibermodulen", Quelle: Sharp "Schematic diagram for LE830_40inch power-unit.PDF", Zeichnung erstellt von InfoTip, Freigabe durch Sharp Europe am 21.10.2014

[3] "Abb. 05: Scanning Backlight-LED-Treiber ...", Quelle: Sharp "LC-60LE925MXT_LED Driv.pdf", Zeichnung erstellt von InfoTip, Freigabe durch Sharp Europe am 21.10.2014

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