CN101707832A - 应用于lcd超高亮led直下式背光模组大功率驱动电源 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种应用于LCD超高亮LED直下式背光模组大功率驱动电源，主要包括如下模块组成：主机MCU模块、LED背光驱动模块、温度传感器、亮度传感器、RS232串口通讯模块，所述的主机MCU模块内置有ADC转换器和硬件PWM发生器；主机MCU模块把环境亮度和背光温度结合来改变PWM参数输出给LED背光驱动模块，然后主机MCU模块通过RS232串口通讯模块把PWM参数等数据发送给从机，从机根据这些数据来改变PWM参数输出给从机的LED驱动背光模块。本发明驱动LED矩阵背光达到设计的背光超高亮度，实现良好的均匀度和亮度一致性可调，满足户外阳光下等特殊场合的显示要求。
Description
技术领域
本发明涉及一种LCD背光模组的驱动电源，尤指应用于LCD超高亮LED直下式背光模组大功率驱动电源。
背景技术
市场上LED背光大部分都是应用在小尺寸LCD显示屏，都是小功率恒流源驱动方案，仅几瓦或十几瓦的输出功率，电流输出一般是几十毫安，最大仅是几百毫安，仅能驱动单路或几路LED，没有大功率的电源驱动方案。虽然它也可以通过模块化组合的方式来驱动大显示屏，比如可以用几十个这类小功率LED驱动电路来驱动大尺寸LCD显示屏的LED矩阵背光，但组合不方便，实现亮度一致和可调非常困难。市场上还有专用的LED恒流源控制IC，一个控制IC可以输出几路恒流源，每一路负载的电流都是不超过100mA，在小尺寸显示屏中，当使用LED的数量不多的时候，这样的方案没有问题。但如果在大尺寸LCD显示屏中用这种方案的话，例如46寸高亮显示屏中的LED矩阵背光，使用的LED的数量达到2K以上，如每个控制IC最多能输出16路，若忽略控制IC的功率不足的问题先不考虑，按每一路还是用6个LED串联电路，所以每个控制IC最多能够驱动96个LED。而总量为2K多的LED矩阵背光，一个46寸屏就需要用到20多个这样的控制IC来控制，成本自然会非常高，而且电路设计也会很复杂，亮度的一致性和控制的同步性也将会比较难于实现。
现有的LED背光驱动电路技术和方案，都是利用IC厂家提供的专用控制IC设计的小功率恒流源方案，由于这些功率太小，无法满足LED超高亮矩阵背光所需的大功率驱动电源的需求；而模块化组合式恒流源对于大数量LED矩阵背光来说，难以实现完美的亮度的一致性和控制的同步性(存在一种能量转换浪费的问题。)鉴于上述存在的种种问题，本申请人提供了高效、简单、低成本、易于控制可调的大功率大数量的LED矩阵背光电源驱动电路，驱动LED矩阵背光达到设计的背光超高亮度，并实现良好的均匀度和亮度一致性可调，满足户外阳光下等特殊场合的显示要求。
发明内容
本发明的目的在于提供一种高效、简单、低成本、易于控制、可调的应用于LCD超高亮LED直下式背光模组大功率驱动电源，驱动LED矩阵背光达到设计的背光超高亮度，并实现良好的均匀度和亮度一致性可调，满足户外阳光下等特殊场合的显示要求。
为实现上述目的，本发明的技术解决方案是：
一种应用于LCD超高亮LED直下式背光模组大功率驱动电源，主要包括如下模块组成：主机MCU模块、LED背光驱动模块、温度传感器、亮度传感器、RS232串口通讯模块，所术的主机MCU模块内置有ADC转换器和硬件PWM发生器；主机MCU模块把环境亮度和背光温度结合来改变PWM参数输出给LED背光驱动模块，然后主机MCU模块通过RS232串口通讯模块把PWM参数等数据发送给从机，从机根据这些数据来改变PWM参数输出给从机的LED驱动背光模块。
设有MOSET管Q1、Q2、电感L1、肖特基二极管D1、电容C1、C2，利用MOSET管开关性、电感的贮能作用、和肖特基二极管D1快速通断性做继流。
主、从机的通讯方式采用RS232串口通讯方式来保持主机和从机的通信。
MOSET管为设有大功率的MOSFET附加散热片。
所述的RS232通信中增加设有自己的协议：根据事先定好的通讯协议规定的数据格式进行命令判别，把设置地址与本机的地址进行比较，设置地址是为了能够后面升级一个主机多个从机板，当地址判别正确就将接收信息并把接收信息中的PWM值赋给给PWM硬件发生器，否则不予响应。
采用上述方案后，本发明在亮度控制方面做到整体一致，输出电压调整范围宽，可实现最低20％至最高100％的亮度调整范围，并能保证电压线性调整以至亮度调节也能保持良好线性变化，本发明由于采用了大功率的MOSFET附加散热片，能驱动较大负载，令每路输出能够驱动的LED数量也很多，并且本发明所采用的元器件较少，成本较低，方便设计与更换维修。本发明控制电路在驱动大尺寸显示屏的LED矩阵背光时，(如46寸)能够保证仅用两片驱动电路板来完成，每片可以有8～10Amp、220W～250W的输出功率，节省了空间，方便安装和调试，并且背光的亮度调整很容易做到同步一致性。
下面结合附图和实施方式对本发明作进一步的详细说明：
附图说明
图1为本发明的原理结构示意图；
图2为本发明的电路原理示意图；
图3为本发明的流程图；
图4为本发明的时序流程图。
图号说明：
1主机MCU模块 2LED背光驱动模块
3温度传感器 4亮度传感器
5RS232串口通讯模块
具体实施方式
一种应用于LCD超高亮LED直下式背光模组大功率驱动电源，其主要包括如下五大模块组成：主机MCU模块1、LED背光驱动模块2、温度传感器3、亮度传感器4、RS232串口通讯模块5，如图1所示，主机MCU模块1把环境亮度和背光温度结合来改变PWM参数输出给LED背光驱动模块2，然后主机MCU模块1通过RS232串口通讯模块5把PWM参数等数据发送给从机，从机根据这些数据来改变PWM参数输出给从机的LED驱动背光模块。其中所术的主机MCU模块1内置有ADC转换器和硬件PWM发生器。
本发明本电路设计方案是大功率24V输入DC-DC恒压源，结合恒流源的同步可控方案，配合图1-4所示，外部输入的信号主要有手动或自动亮度采集控制信号，LCD屏的ADC板输出的控制背光的ON/OFF信号，还有输出电压检测信号和高温保护信号.主要的输出是PWM输出，用于控制降压电路，外部的手动或自动亮度调节信号是一个模拟信号，主机MCU模块1能处理的是数字信号，就需要采用ADC转换(如图3所示)，把模拟的亮度调节信号转换为数字的亮度调节信号.本发明电路中的主机MCU模块1是AVR单片机中性价比较高的MCU，所术的主机MCU模块1内置了ADC转换器和硬件PWM发生器，如此可减少很多的外围元件和外围电路，其电路相对简单，可靠性比较高.
主机MCU模块1把转换后的数字信号经过主机MCU模块1计算出来，再通过软件程序改变主机MCU模块1内的寄存器值，令输出的PWM占空比得到改变，然后通过PWM降压模块得到相应恒定的电压输出。同时主机MCU模块1通过一路ADC转换器检测输出电压，反馈调节输出电压，使输出电压达到恒定，也保证了LED能在设定的工作电压范围内正常工作。
PWM主控制电路原理如图2所示，设有MOSET管Q1、Q2、电感L1、肖特基二极管D1、电容C1、C2，利用了MOSET管开关性、电感的贮能作用、和肖特基二极管D1快速通断性来做继流。其中MOSET管为设有大功率的MOSFET附加散热片。当PWM控制MOSET管Q1导通的时候，电路导通，电容C1、C2贮能和滤波，电感L1开始贮能；当PWM控制MOSET管Q1关闭时，电感L1还贮有电能，可将此时的电感视为电动势，MOSFET管处于关闭，而电感中的电能又需释放出来，就需要电路中有一个回路把能量释放掉。这时候肖特基二极管D1就起到继流的作用。这样肖特基二极管D1，电感L1和输出LED负载就形成了一个回路，保证了对LED驱动保持恒流。本发明使用的二极管为肖特基二极管，并不是普通的二极管，肖特基二极管是一种快恢复二极管，它属一种低功耗、超高速半导体器件，其显著的特点为反向恢复时间极短(可以小到几纳秒)，正向导通压降仅0.4V左右，其常用在彩电的二次电源整流、高频电源整流中。而本发明PWM控制的MOSFET管是在高速的打开或关闭的状态，当MOSFET管关闭时候，就需要二极管快速的导通，同时正向压降要低，所以就需要选择使用肖特基二极管来做继流。
本发明主程序如图3所示，首先要初始化MCU程序，设置PWM输出的I/O口为输出口，并且为低电平，保证驱动LED的大功率MOSFET管开始通电时候处于关闭状态，起到了保护LED的作用。第一次启动ADC转换，采集并保存外部环境亮度值，作为后面亮度调节的对比值，然后根据环境亮度值来设置PWM值给LED，让其能根据外部环境亮度值的变化而变化，既保证阳光下可视又达到节能的目的。然后程序进入循环，读外部ON/OFF信号，如果为OFF的话则继续等待比较，如果是ON的话，则打开使能背光PWM，然后进行ADC采集外部环境亮度值，与上次环境亮度值进行比较，如没有变化则不处理直接跳转到温度保护，如有变化则根据新的外部环境亮度值来设置新的PWM输出给LED调节背光亮度以适应外部环境，同时也通过串口把新的PWM值等参数值发送给从机，如此就能保证到LED亮度调节能根据外部环境自动调节，外部环境越亮背光就越亮，以使LCD在阳光下可视；反之能根据环境亮度来降低亮度，保证让人在晚上模式下看LCD不刺眼，而且降低了功耗，节约能源，是一个智能的节能系统。然后进入判断背光温度是否过热(60度温度开关)，如果开关导通，则LED背光的温度60度，需要过热保护，然后设置PWM参数使输出使LED背光亮度为原来亮度的一半，也把新的PWM发送给从机；降低功耗，尽快把LED温度降低下来，保证了LED和LCD的寿命。然后程序再跳转回判断外部ON/OFF信号，如此循环。如果温度不超过直接不处理跳转回开始判断外部ON/OFF信号。
本发明主、从机的通信，每个显示器都配有两个LED背光驱动模块2，分别为主、从机.为了保证背光调节能够做到同步性上，采用RS232串口通讯模块5的RS232通讯方式来保持主机和从机的通信，在主机中，需要发送PWM值和ON/OFF值给从机，同时又要避免数据丢失造成背光不同步，就需要在RS232通信中增加设有自己的协议(如后述的通信协议).通信中硬件使用了MCU内部的自带的串行USART接口，编写程序比较方便，从机接受主机命令时候可以通过串行中断来处理；这样能保证了亮度调节的同步性.在大屏中，屏都有一米左右的宽度，主、从机的距离也在一米左右，由于TTL信号在长距离中容易受到干搅，所以不能使用TTL信号来转送数据，因此本发明采用了RS232信号来转送数据.
关于从机的程序，从机程序就比主机较为简单，因为它只需要通过串口中断获取PWM等参数然后赋值给PWM硬件发生器给LED背光。如图4所示，中断接受数据，判断地址是否是发送给该设备的，如不是结束中断；如是则接收数据并从接收得到的数据中获取PWM等参数，然后把得到的PWM值赋值给单片机的PWM硬件器以至用PWM来调节LED背光的亮度，达到了主、从机的同步。由于传送的波特率采用了最高的115200BIT/S，所以，主、从机的同步上，人肉眼是无法看出其在变化。亮度的改变值能很好的跟着环境亮度变化而变化。如果不使用上述的方法而是采用主机把PWM信号转送给从机，这样由于传送的距离比较远，信号在过程中容易受到干搅衰弱，从机的PWM就可能不和主机PWM波形又不一样，然后给LED背光就出现了亮度不均，严重影响产品的质量。
关于通信协议，根据事先定好的通讯协议规定的数据格式进行命令判别，把设置地址与本身的地址进行比较，设置地址是为了能够后面升级一个主机多个从机板，当地址判别正确就将信息所控制的PWM值赋给给PWM硬件发生器，否则不予响应。每一个设备的地址要求是唯一的，所以要遵循一定的协议，其协议(以下数据均为16进制)与说明如下所示：
发送数据格式：
格式：ff fe 11 33 01 fe ff
其中ff fe是前导码，11是设置地址，33是PWM值，01预留数据或命令值，fe ff是结束码。
对于站号：
11设置地址表示1号从机，如从机数量增加则可以用12～1F来分别表示2号到15号从机，目前只有一主一从，所以只采用了11号从机地址。
对于PWM数据：
上面的示列中33表示PWM值，由于是采用256阶的PWM，用十六进制表示也刚好从0～FF，共255阶的PWM值。前导码和结束码是起到抗干搅的重要组成部分。
以上实施例仅供说明本发明之用，而非对发明的限制，有关技术领域的技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以作出各种变换或变化。因此，所有等同的技术方案也应该属于本发明的范畴，应由各权利要求限定。
Claims (5)
1.一种应用于LCD超高亮LED直下式背光模组大功率驱动电源，其特征在于：主要包括如下模块组成：主机MCU模块、LED背光驱动模块、温度传感器、亮度传感器、RS232串口通讯模块，所术的主机MCU模块内置有ADC转换器和硬件PWM发生器；主机MCU模块把环境亮度和背光温度结合来改变PWM参数输出给LED背光驱动模块，然后主机MCU模块通过RS232串口通讯模块把PWM参数等数据发送给从机，从机根据这些数据来改变PWM参数输出给从机的LED驱动背光模块。
2.如权利要求1所述的应用于LCD超高亮LED直下式背光模组大功率驱动电源，其特征在于：设有MOSET管Q1、Q2、电感L1、肖特基二极管D1、电容C1、C2，利用MOSET管开关性、电感的贮能作用、和肖特基二极管D1快速通断性做继流。
3.如权利要求1所述的应用于LCD超高亮LED直下式背光模组大功率驱动电源，其特征在于：主、从机的通讯方式采用RS232串口通讯方式来保持主机和从机的通信。
4.如权利要求2所述的应用于LCD超高亮LED直下式背光模组大功率驱动电源，其特征在于：MOSET管为设有大功率的MOSFET附加散热片。
5.如权利要求3所述的应用于LCD超高亮LED直下式背光模组大功率驱动电源，其特征在于：所述的RS232通信中增加设有自己的协议：根据事先定好的通讯协议规定的数据格式进行命令判别，把设置地址与本机的地址进行比较，设置地址是为了能够后面升级一个主机多个从机板，当地址判别正确就将接收信息并把接收信息中的PWM值赋给给PWM硬件发生器，否则不予响应。
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