CN101707832B - 应用于lcd超高亮led直下式背光模组大功率驱动电源 - Google Patents

应用于lcd超高亮led直下式背光模组大功率驱动电源 Download PDF

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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背光驱动模块。本发明是用于驱动LED矩阵式背光模块达到设计的超高亮度背光,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高亮LCD显示要求。

Description

应用于LCD超高亮LED直下式背光模组大功率驱动电源
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矩阵式背光模块达到设计的超高亮度背光,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高亮LCD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矩阵式背光模块达到设计的超高亮度背光,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高亮LCD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背光驱动模块。
设有MOSFET管Q1、Q2、电感L1、肖特基二极管D1、电容C1、C2,利用MOSFET管快速开关性、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。
MOSFET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进一步升级为一个主机多个从机模式,当地址判别正确就将接收信息并把接收信息中的PWM参数赋给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背光驱动模块。其中所述的主机MCU模块1内置有ADC转换器和硬件PWM发生器。
本发明的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,所述的主机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MOSFET管Q1、Q2、电感L1、肖特基二极管D1、电容C1、C2,利用了MOSFET管快速开关性、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MOSFET管为设有大功率的MOSFET附加散热片。当PWM控制MOSFET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MOSFET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。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参数给LED背光驱动模块,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的话关闭LED背光恒流输出继续等待比较,如果是ON的话,则打开MCU内置的PWM输出,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高温保护检测,如有变化则根据新的外部亮度传感器所得环境亮度值来设置新的PWM输出,驱动LED恒流源调节LED背光亮度以适应外部环境亮度,同时也通过串口把新的PWM参数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亮度自动调节,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背光亮度,保证在晚间模式下看LCD不刺眼,而且降低了功耗,节约能源,是一个智能的节能环保系统。然后进入检测背光温度是否过热(60度温度开关),如果达到60度高温则温度开关导通,则需要进入高温保护模式,然后设置PWM参数给LED背光驱动模块,让LED背光亮度降低为最高亮度的一半,同时把新的PWM参数经过RS232串口通信按设置的通信协议发送给从机;降低功耗,减少发热量,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60度高温就不需要处理高温保护直接跳转回程序开始处判断外部ON/OFF信号。
本发明主、从机的通信,按照LCD屏尺寸大小配有一主一从或一主多从LED背光驱动模块2,。为了保证LED背光调节能够做到同步性,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参数和ON/OFF参数给从机,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通信协议(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LCD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信号在长距离传输中容易受到干搅,所以不能使用TTL信号来直接转送数据,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等参数然后赋给PWM硬件发生器输出PWM参数给LED背光驱动模块。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参数赋给单片机的PWM硬件发生器,用PWM参数来调节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,主、从机在同步调节LED背光亮度时,就不会出现闪烁或者亮度变化不一致。LED背光亮度的改变值能很好的随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信号直接转送给从机,这样由于传送的距离比较远,信号在传送过程中容易受到干搅出错或者信号传输衰弱,导致从机的PWM波形就可能和主机PWM波形不一样,然后造成LED背光出现了亮度不均,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进一步升级一个主机多个从机模式,当地址判别正确就将信息所控制的PWM参数赋给PWM硬件发生器,否则不予响应。每一个设备的地址要求都是唯一的,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参数,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,如只有一主一从,就只采用了11号从机地址;如72寸高亮LCD就有一主三从,就采用了11、12、13三个从机地址。
对于PWM数据:
上面的示例中33表示PWM参数,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参数。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,还可以做出各种变换或变化。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 (4)

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背光驱动模块;第一次启动ADC转换器,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参数给LED背光驱动模块,让其能根据外部环境亮度值的变化而变化;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进一步升级为一个主机多个从机模式,当地址判别正确就将接收信息并把接收信息中的PWM参数赋给PWM硬件发生器,否则不予响应。
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MOSFET管Q1、Q2、电感L1、肖特基二极管D1、电容C1、C2,利用MOSFET管快速开关性、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串口通讯方式并增加设有自己的通信协议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:MOSFET管为设有大功率的MOSFET附加散热片。
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