一種樹狀背光均流方案的設計

鄧遠釗

（廣州科技職業技術大學，廣東 廣州 510000）

1 引言

傳統的恒流均流輸出采用的是相同電流控制同規格三極管導通電流的形式。三極管均流方案的原理是，在給定的一個恒壓源情況下，利用恒壓源后的限流電阻及三極管基極與集電極之間的導通電阻RBE，產生一個恒定電流IBE，IBE會持續流經三極管的基極與集電極之間。由于三極管工作在放大狀態下，發射極與集電極之間的電流ICE與IBE之間存在正比關系，具體公式為ICE=(1+β)×IBE。β為由三極管內部特性決定，是一個固定不變的值。當LED 多路同時輸出時，在每路輸出上分別接入一個同規格的三極管（即β與RBE相同）的集電極和發射極，并將所有三極管的發射極連接在一起，將同一恒壓源串聯同一限流電阻分別接入三極管的基極。此時，流經每個三極管的IBE及ICE相同。而ICE即為流經單路的LED電流。故每路LED電流相同，實現均流。

受生產工藝限制，同規格三極管在實際生產中，β及RBE仍然存在一定的數值差異，造成均流精度不足。三極管工作在放大狀態下，其β及RBE會受到器件溫度及環境溫度的影響，導致數值變動，使得均流精度出現溫飄的情況。在實際工作過程中，會受到板卡走線的等效電阻的影響，從而引發經過RBE后的電流到達Q1～QN 管后電流不均勻的問題[1]。本文設計了一種樹狀背光均流方案，一定程度解決了三極管受生產工藝限制形成的精度不足問題。

2 系統模型

整個系統分為以下幾個部分：

（1）電源供電模塊，為所有模塊提供電能。

（2）硬件模塊，此部分包含硬件核心控制器，是一個含有多個IO 口，可以擴展外設的智能控制器。硬件模塊還包含屏幕顯示、USB、HDMI、VGA等多項驅動功能[2]。

（3）恒流模塊，此部分主要是控制后級的LED等串總電流的恒定以及為LED提供電能。

（4）多路LED燈串，這部分由多路LED燈串組成。

（5）樹狀均流模塊，此部分用于使每一路的LED燈串的電流平均分配。

兩路的均流模塊是用一對MOS 管對組成，如圖1 所示，其中Q11 為N 溝道MOS 管，Q12 為P 溝道MOS 管。恒流模塊連接LED燈串1和LED燈串2第一顆LED燈的陽極；Q11 NMOS 管連接LED 燈串1 最后一顆LED 燈的陰極；Q12 PMOS管連接LED燈串2最后一顆LED燈的陰極；其他LED燈依次串聯。

圖1 兩路LED燈串均流示意圖

正常工作時，設恒流模塊給出的電流為Io。此時硬件核心控制器會同時給Q11MOS管和Q12MOS管一個頻率固定、占空比為50%的方波信號，由于Q11 為NMOS 管，Q12 為PMOS 管，因此當方波信號為高電平的時候，Q11MOS 管導通，Q12MOS管截止，此時，LED燈串1形成通路，LED燈串1流過的電流為Io；當方波信號為低電平的時候，Q11MOS 管截止，Q12MOS 管導通，LED 燈串2 形成通路，LED 燈串2 流過的電流為Io。因此從一個周期看，LED燈串1流過的平均電流為Io/2，LED 燈串2 流過的平均電流也為Io/2。這樣就實現了LED燈串1和LED燈串2的均流[3]。

若擴展成多路，其結構是在兩路LED燈串的基礎上多加了四個MOS 管，其中LED 燈串1 與Q11 的NMOS 管相連、LED 燈串2 與Q12 的PMOS 管相連、LED燈串3 與Q13 的NMOS 管相連、LED4 燈串與Q14 的PMOS 管相連。后級部分為Q11 與Q12 的源極與Q21 的NMOS 管的漏極相連；Q13與Q14 的源極與Q22 的PMOS 管的漏極相連。最后Q21 與Q22的源極一起連接到采樣電阻回到恒流模塊[4]。

硬件核心控制器需要給出2 路的PWM 驅動信號，分別為驅動信號1 和驅動信號2。其中，驅動信號1 連接到Q11、Q12、Q13、Q14MOS 管的柵極，用于驅動4 個MOS 管。驅動信號2連接到Q21、Q22MOS管的柵極，用于驅動此2個MOS管。其中驅動信號1 的周期為T，驅動信號2 的周期為2T。也就是說，驅動信號1 的頻率為驅動信號的2 倍。若驅動信號2 的頻率為f，那么驅動信號1 的頻率即為2f。占空比方面，驅動信號1與驅動信號2的占空比均為50%。

3 樹狀背光均流控制過程

下面分析系統是如何實現4路均流的，同樣設定恒流模塊給出的電流為Io。

第一階段：驅動信號1處于高電平，驅動信號2也處于高電平，此時Q11、Q13 的NMOS 管導通，Q12、Q14 的PMOS 管截止。Q21 的NMOS 管導通，Q22的PMOS管截止。因此只有LED燈串1可以形成回路，那么此時流過LED燈串1的電流即為Io。

第二階段：驅動信號1處于低電平，驅動信號2仍為高電平，此時Q11、Q13 的NMOS 管截止，Q12、Q14 的PMOS 管導通。Q21 的NMOS 管導通，Q22的PMOS管截止。因此只要LED燈串2可以形成回路，此時流過LED燈串2的電流為Io。

第三階段：驅動信號1變回高電平，驅動信號2變成低電平，此時Q11、Q13 的NMOS 管導通，Q12、Q14 的PMOS 管截止。Q21 的NMOS 管截止，Q22的PMOS管導通。因此只要LED燈串3可以形成回路，此時流過LED燈串3的電流為Io。

第四階段：驅動信號1處于低電平，驅動信號2仍為低電平，此時Q11、Q13 的NMOS 管截止，Q12、Q14 的PMOS 管導通。Q21 的NMOS 管截止，Q22 的PMOS 管導通。因此只要LED燈串4可以形成回路，此時流過LED燈串4的電流為Io。

從上述結果可以看出，在周期2T時間內，在它們各自形成回路的時間段內每個LED燈串流過的電流均為Io，持續時間均為T/2。因此可以得到在2T時間內，流過每路LED燈串的平均電流均為Io/4。這樣就實現了4路LED燈串的均流[5]。

4 仿真結果及其分析

仿真32 路背光均流，也就是有25 燈串，需要的MOS 管總數為62 個，其中PMOS 管31 個，NMOS 管31 個，需要驅動信號個數為5個，驅動信號1的頻率為16f，驅動信號2的頻率為8f，驅動信號3 的頻率為4f，驅動信號4 的頻率為2f，驅動信號5的頻率為f。利用上述樹狀分布可以實現32路LED燈串均流，其中每個燈串流過電流為Io/32，截取仿真后的前兩個均流電路驅動信號如圖2所示，截取仿真后的母線電壓和3路電流如圖3所示。

圖2 LED均流電路驅動信號示意圖

圖3 母線電壓和均流電流示意圖

對于2n燈串來說（n為大于1的正整數），可以用上述樹狀的MOS 管排布搭建電路，其控制方法也可以用上述方案推演。對于2n路燈串，需要的MOS管總數為2n+2n-1+……2=2n+1-2，其中PMOS和NMOS管個數分別為2n-1。所需的驅動信號個數為2個，其中驅動信號1的頻率為2n-1*f；驅動信號n的頻率為f。所有驅動信號的占空比均為50%。

本方案采用MOS 管進行分段PWM 調光。利用精準PWN 時序，實現精準的PWM 調光。由于MOS 管工作在導通狀態下，無需利用三極管內部放大特性，避免了在工作溫度差異下造成的恒流精度溫飄的情況。此外，利用多對控制對層疊控制，可以實現精準2n均流控制。

5 結語

本文設計了一種樹狀背光均流方案，使用n個驅動信號，就能實現2n路背光的均流。一方面解決了數字控制芯片I/O 口數量有限制的問題，另一方面避免了冗余的驅動信號間產生的互相干擾。使用數字均流的方式取代傳統的模擬均流，使均流精度更高，避免因器件的誤差產生均流不均的問題，提高了系統的可靠性。驅動信號由數字控制器發出，穩定可靠，不會受PCB 走線及外界環境（例如溫度、濕度）對電流精度造成的影響，提高了系統均流的穩定性。