ディスプレイドライバボードの設計において、非常に重要な回路があります。それはバックライトドライバ回路です。これは多くのエンジニアを悩ませる基本的な回路でもあります。この記事では、この回路を段階的に分析しながら、バックライトユニットの構成からバックライト回路の設計までを詳しく説明します。まずは下の図をご覧ください。

上の写真は、私が以前設計したディスプレイ画面 (AUO M190ETN01.0、19 インチ) のバックライト ドライバ回路図です。この記事では、これを例として、LED バックライト ドライバ回路の設計方法とその背後にある関連原理について説明します。

バックライトユニット構成の分析

1. 基本原理分析

大型ディスプレイ画面は現在主に LCDディスプレイ LCD自体は発光しません。画像を表示したい場合は、白色バックライトを使用する必要があります。一般的な白色バックライトは、複数の白色LEDライトで構成されています。その数は画面サイズによって決まり、通常は1～10個のLED列（直列型。この記事では並列型は扱いません）で、各列は2～20個です。

2. LED パラメータ

LED の主なパラメータは Vf と If です。

• Vf: 順方向電圧。LED が光を発するときの、LED 自体の正極と負極間のアースに対する電圧。
• If: ある光度でLEDの電流に順方向電流が流れるとき、光度はIfに比例し、同じIfのもとではLEDランプの光度は同じです。

一般的な携帯電話のLCDバックライトによく使われるLEDを例に挙げると、通常発光時の電流（If）は20mA、Vfは通常3.0～3.4Vです。

3. 基本設計要件 導かれた 駆動回路

（１）バックライトの輝度要件を満たす。

（２）ディスプレイ全体の明るさが均一であること（一部が明るく、他が暗くなることがあってはならない）。

（３）明るさを簡単に調整できる

（４）駆動回路は小さなPCBスペースを占有する。

（５）高い作業効率

（６）総合的なコストが低い

（7）システムの他のモジュールへの干渉が小さい。

4. バックライトの駆動原理

直列駆動回路は、その名の通り、回路内でLEDライトが直列に接続されているため、各ランプを流れる電流は同じであり、各ランプの明るさが同じになることが保証され、そこから結論を導き出すことができます。均一な明るさはタンデムタイプの最大の利点です。

ランプは直列接続されており、各ランプのVf電圧は3.0～3.4Vです。例えばVfが3.0Vの場合、10個のランプを直列接続すると、10×3.0=30Vの電圧が必要になります。そのため、この方式の駆動回路では、DC/DCブースト回路を用いて必要な電圧まで昇圧する必要があります。

下の図 M190ETN01.0 データシートの説明です。

M190ETN01.0 データシート

概略図 は以下の通りです 。

概略図

写真には 4 つの LED ストリングがあり、各ストリングの正極は高電圧に接続され、負極は個別に引き出されています。

回路原理解析

上図からわかるように、M190ETN01.0ディスプレイのVmaxは37.4Vで、合計4つの電源が必要であり、単一のImaxは90mAです。したがって、ブーストチップを選択する際には、Imaxが180mAのチップを2つ、またはImaxが90mAのチップを4つ検討することができます。

いくつかの最悪のケースを考慮すると、通常、Boost チップを選択する場合はディレーティングが必要です。つまり、Vmax と Imax を約 50% 増やす必要があります (アプリケーション環境に応じてディレーティング率を調整する必要があります。私の回路は高速鉄道で使用されるため、ディレーティング量はわずかに大きくなります)。

さらに、各チャネル間のバランス値を考慮する必要があります。値が大きいほど、各チャネル間の輝度均一性が悪くなります。もう一つのポイントは、2チャネル180mAと4チャネル90mAの輝度の一貫性が若干悪くなると個人的には考えています。包括的な実用化のために、私たちは1つのドライブに1つのアプローチを採用しています。この設計で選択したブーストチップはMP3394です。今のところ、 ' あなたが持っていないものを持っているかどうかはわかりません ' 理解できませんか？理解できない場合は分析を続けます。

1. MP3394の機能解析

まず、MP3394 データシートに機能の説明を貼り付けます。

MP3394のデータシート

説明の一般的な意味は次のとおりです。MP3394は、4つの出力ピンを持ち、4つのチャネルを同時に駆動できる一般的なLEDドライバチップです（ここでは4つのチャネルがあり、4つのストリングではないことに注意してください。また、電流差に応じて、各チャネルが複数のストリングを同時に駆動できることも上記で述べました）。LEDグループの場合、各チャネルの最大駆動電流は200mAです。LEDランプの電流を一定のレベルに自動的に安定させるために、LEDライトバーに電力を供給するブースターが設計されています。ブースターの周波数は固定されており、外部抵抗器によって周波数を設定できます。さらに、ブースト変換を完了するには、外付けのパワーMOSチューブが必要です。

各LEDの駆動電流は外付け抵抗で設定できます。チップには4つの電流源が搭載されており、4つのLED電流を均等に調整します。各チャンネル間のアンバランスは2.5%未満です。このチップは、PWMパルス幅とDC（電流モード）の2種類の調光方式に対応しています。

2. ピン機能解析

LEDドライバチップは専用のDCDCチップであるため、各メーカーのチップピン名称が異なる場合がありますが、基本的な機能は同様です。以下では、MP3394の主なピンを一つずつ分析します。

• 1 ピン: ループ周波数補償。通常の DCDC と同様にループ補償として使用されます。
• 2 ピン: 有効制御端子。IO に接続してバックライトのオン/オフを切り替えることができます。
• 3 ピン: 輝度制御入力端子。PWM パルスまたは DC 入力が可能です。
• 5ピン：昇圧回路のスイッチング周波数を設定します。適切な周波数設定により、昇圧回路の効率が向上し、回路基板のサイズが縮小されます。
• 6 ピン: ランプ ストリングの電流設定。計算用の対応する式がデータシートに記載されています。
• 7 ピン: 輝度変調周波数設定ピン。調光信号が DC 電圧の場合はコンデンサをグランドに接続し、調光信号が PWM パルスの場合は 100K 抵抗をグランドに接続します。
• 8〜11ピン：4チャンネルLEDライトストリング駆動出力端子、外部はLEDライトストリングの負極に接続され、チップ内部はMOSチューブオープンドレイン出力端子です。
• 12ピン：過電圧保護サンプリング入力端子、昇圧回路出力端子の外付けサンプリング分圧抵抗。このピンの電圧が1.23Vを超えると、チップ内部の過電圧保護回路が作動します。
• 13 ピン: ストリング電流が検出されると、エネルギー貯蔵インダクタと直列に電流検出抵抗器を接続して、インダクタ電流のピーク値が定格値を超えないことを検出します。
• 15 ピン: 電源ピン、5V ～ 28V、ピン 2 の電源が 5.5V より低い場合、チップ内部の低電圧保護回路が作動し、チップはスリープ状態になります。
• 16ピン：チップ内には5V電圧レギュレータ回路があります。このピンの5V電圧はチップ内の回路に電力を供給します。チップが障害を検出すると、このピンの電圧は0Vに低下します。

3. 動作原理の詳細な分析

次の図は、簡単な分析のための MP3394 の内部ブロック図です。

MP3394の内部ブロック図

上図では、バックライト電源がチップのVINピンに追加されています。内部電圧が安定した後、VCCピンはチップ内部回路で使用される5Vの安定化電圧を得ます。チップが動作を開始すると、内部クロックの作用により、GATEピンからハイレベルが出力され、ブーストスイッチチューブのG極に印加され、ブーストスイッチチューブがオンになります。

その他の動作原理は従来のDCDCと基本的に同じであり、データシートを比較するだけで設計を完了できます。各デバイスの選択方法の詳細な分析は必要ありません。以下は、輝度調整の詳細な分析です。

4.バックライトLEDの明るさ調整方法

現在、一般的に使用されているバックライト LED の明るさ調整方法は 2 つあり、1 つは PWM (電圧モード) で、もう 1 つは DC (電流モード) です。

電圧モードと比較して、電流モードは負荷応答が速いですが、動作原理はより複雑です。この記事では、PWM調整の分析に焦点を当て、詳細な調査と分析は行いません。

PWMはパルス幅変調（Pulse Width Modulation）の略です。この調光方式は、PWM信号のデューティサイクルを用いてバックライトの輝度を調整します。信号の周波数とデューティサイクルはソフトウェアで設定できます。最大電流Imaxは通常ハードウェアで設定され、その後PWMデューティサイクルを設定することでLEDに流れる実際の電流が調整されます。デューティサイクルが100%の場合、LEDに流れる実際の電流はImaxです。デューティサイクルが50%の場合、LEDに流れる実際の電流はImaxの50%です。

別の観点から見ると、LEDバックライト駆動回路は実際には定電流回路であり、LEDストリングの電流をLEDランプの定格電流で安定させることができるため、電流の大きさはバックライトの明るさによって変化しません。つまり、バックライトの明るさを調整しても、LEDストリングの電流は安定しており、常にImaxを維持します。LEDストリングのオン/オフの時間とデューティを調整するだけで、バックライトの明るさを調整できます。電流計で測定される電流値は、実際には平均電流です。

断線保護、過電圧保護、短絡保護などのその他の機能については、データシートの説明を参照してください。一般的に、従来の設計ではこれらの機能にあまり注意を払う必要はありません。

最後に、直列バックライト回路にはパワーインダクタとショットキーダイオードが必要です。従来のDCDCと同様に、設計段階でループ問題に対処する必要があります。そうしないと、EMI問題が発生しやすくなります。

結論

故障率が高いため、 LEDライト バー自体の故障は、バックライトドライバボードの誤動作を引き起こすことがよくあります。バックライトドライバボード自体に欠陥があると、深刻な結果を招く可能性があります。通常、これらの欠陥は製品開発の初期段階では顕著に現れませんが、中期および後期に現れることが多いです。

したがって、設計においては、この回路の原理を理解することが不可欠です。ディスプレイの種類によって扱いが異なり、リファレンス設計を盲目的に適用することは避けてください。上記の分析からわかるように、抵抗値の違いはバックライトの異常や過負荷動作の原因となります。