lcd背光电路的原理与维修（LCD背光驱动电路原理深度分析）

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原创：卧龙会 终南小师傅

提问

LCD背光驱动电路原理是什么样的，要怎么设计？

回答

今天是卧龙会 终南小师傅 回答这个问题

在之前的文章当中小师傅为大家分析过显示屏的显示驱动VGH/VGL电路，相信大家应该还记得。如下链接

在显示屏驱动板设计中还有另外一个很重要的电路—背光驱动电路，也是很多工程师存在疑问的一个基础电路，因此我将在本文中带大家从背光单元组成到背光电路设计，一步一步分析这个电路。照旧还是先上图。

图1 参考电路图

上图是我之前设计过的一款显示屏（AUO M190ETN01.0 ,19”）的背光驱动电路图，本文就以此为例，讲解如何设计一款LED背光驱动电路，以及其背后关联的原理。

一、背光单元组成分析

1、基本原理分析

目前大尺寸的显示屏主要还以LCD为主，LCD本身不会发光，要想让其显示画面，就必须使用白光背光源，常见的白光背光源一般由数个白色LED灯组成，LED灯的个数由屏的尺寸决定，一般由1~10串（串联型，本文暂不介绍并联型），每串2~20个不等。

2、LED的参数

LED的主要参数是Vf和If。

Vf：正向电压，LED发光时自身正负极两端的压降。

If：正向电流，一定发光强度下通过LED的电流，发光强度和If成正比，相同的If下LED灯的发光强度相同。原创卧龙会IT技术

例如，普通手机LCD背光常用的LED正常发光时的If为20mA，Vf一般为3.0~3.4V 。

3、LED驱动电路的基本设计要求

（1）满足背光的亮度要求；

（2）整个显示屏亮度均匀（即不允许有某一部分较亮、另一部分较暗的情况）；

（3）亮度可以方便地调节 ；

（4）驱动电路占PCB空间要小；

（5）工作效率高；

（6）综合成本低；

（7）对系统其他模块干扰小。

4、背光驱动原理讲解

串联型驱动电路顾名思义就是在电路中各LED灯采用串联的方式连接在一起，因此，经过各个灯的电流都是一样的，这样就可以保证每颗灯的亮度一样，因此发光亮度均匀是串联型的最大优点。

由于各灯采用串联连接方式，而每颗灯Vf电压为3.0~3.4V，以Vf为3.0V为例，如果是10颗串联就意味着需要10*3.0=30V，所以该方式的驱动电路就需要采用DC/DC Boost电路把电压升到所需电压。

下图2是M190ETN01.0 datasheet中的一段描述。

图2 显示屏背光单元电性能参数

示意图如下。

图3 背光灯串示意图

图中共有4串LED灯串，每串的正极接在一起连到高压上，负极则分别引出。

二、电路原理分析

由上图2可以看出，M190ETN01.0这款显示屏的Vmax为37.4V，总共需要4路电源，单路Imax为90mA，因此在选择boost芯片时既可以考虑2路Imax为180mA的芯片，也可以考虑4路Imax为90mA的芯片。

考虑到一些worse case，我们在选用Boost芯片一般都需要降额使用，即Vmax和Imax均需要上调50％左右（需要根据应用环境调整降额百分比，由于我这款电路是应用在高铁上，所以降额幅度稍大）。原创卧龙会IT技术

除此之外还要考虑各路之间的平衡值，如果这个值越大，表示各路之间亮度均匀性越差。还有一点，个人认为2路180mA相对与4路90mA的亮度一致性也会稍微差一些。综合实际应用，我们使用的是一驱一的方式，在本设计中选用的Boost芯片是MP3394。

讲到这里，不知道大家有没有没弄懂的地方？如果没有，我们继续往下分析。

1、MP3394功能分析

首先贴上MP3394 datasheet中的功能描述。

图4 MP3394功能描述

上面这大段英文描述大致意思就是：MP3394是一颗常用的LED驱动芯片，共有4个输出引脚，能同时驱动4路（注意这里是4路，不是四串，上面也有说过根据电流不同，每路可同时驱动多串）LED组，每路最大驱动电流是200mA。为了能够自动稳定LED灯的电流达到恒定，设计有一个升压器为LED灯条供电，升压器的频率固定，频率可通过外接电阻进行设置。此外需要外接一个功率MOS管完成升压变换。

每路LED的驱动电流也可以通过外接电阻进行设置。芯片内有4个电流源，以平衡4路LED电流均等，每路间不平衡度低于2.5%。这颗芯片还可以通过PWM脉宽和DC（电流模式）两种不同方式进行调光。

2、引脚功能分析

由于LED驱动芯片属于专用DCDC芯片，各厂家的芯片引脚称谓可能不一致，但是基本功能相似，以下就MP3394的主要引脚进行逐个分析。

图5 MP3394引脚图

1脚：环路频率补偿，和普通DCDC一样用作环路补偿；

2脚：使能控制端，可接IO进行背光开关闭；

3脚：亮度控制输入端，可以是PWM脉冲，也可以是直流输入；

5脚：升压电路开关频率设置，该频率设置恰当，可以提高升压电路的效率，减小电路板的尺寸；

6脚：灯串电流设置，datasheet中有相应公式进行计算；

7脚：亮度调制频率设置脚，当调光信号是直流电压时，该脚到地接一颗电容，当调光信号是PWM脉冲时，该脚到地接一颗100K电阻；

8~11脚：4路LED灯串驱动输出端，外接LED灯串的负极，芯片内部是MOS管漏极开路输出端；

12脚：过压保护取样输入端，外接升压电路输出端的取样分压电阻。该脚电压超过1.23V时，会触发芯片内部的过压保护电路；

13脚：灯串电流检测，在贮能电感上串联一个电流检测电阻，以检测电感电流的峰值不超过额定值；

15脚：供电脚，5V~28V，当2脚的供电低于5.5V时，芯片内部的欠压保护电路启动，芯片进入休眠状态；原创卧龙会IT技术

16脚：芯片内部有5V稳压电路，该脚的5V电压为芯片内部的电路供电，当芯片检测到故障时，该脚电压下降到0V。

3、工作原理深度分析

下图为MP3394内部框图，以防引起大家不适，仅作简单分析。

图6 MP3394内部框图

上图中，背光供电加到芯片的VIN脚，在内部经稳压后，VCC脚得到稳压后的5V电压，该电压供芯片内部电路使用。芯片开始工作后，在内部时钟的作用下，从GATE脚输出高电平，加到升压开关管的G极，升压开关管导通。剩下工作原理和常规DCDC基本一致，对照datasheet就可以完成余下的设计，就不再详细分析每一个器件是如何选型的。

以下详细分析一下亮度是如何调节的。

4、背光LED亮度调节方法

目前常用的背光LED亮度调节方法有两种，一种是PWM（电压模式），另一种是DC（电流模式）。

电流模式相对电压模式他的负载相应较快，但是工作原理较为复杂，本文中不做研究和分析。本文中着重分析一下PWM调节。

PWM即脉冲宽度调制，这种调光方式是利用PWM信号的占空比来实现背光亮度调节，其信号的频率和占空比可以通过软件进行设置。最大电流Imax一般是通过硬件设置的，然后通过设置PWM的占空比来调节实际流过LED的电流，占空比为100%时，流过LED的实际电流即为Imax，占空比为50%时，流过LED的实际电流即为Imax的50%。

从另一个方面理解，LED背光驱动电路其实是一个稳流电路。可以稳定LED灯串的电流在LED灯的额定电流上。该电流的大小不随背光的亮度而变化，即调节背光亮度时，LED灯串的电流是稳定不变的，始终保持在Imax，只是调节LED灯串的开启与关断的时间占空比来达到调节背光的亮度，使用电流表测得的电流值实际是电流平均值。

其他的功能像开路、过压、短路的保护，可以参阅datasheet中的解释，这个在常规设计当中一般无需过于关注。

最后一点，在串联型背光电路中需要一个功率电感和和一个肖特基二极管，与常规DCDC一样，在设计时需要处理好环路问题，否则很容易产生EMI问题。

三、结语

由于LED灯条本身故障率较高，常常会引起背光驱动板故障，如果背光驱动板本身设计再存在瑕疵，那么会导致很严重的后果。

一般这些故障在产品工作初期不会明显出现，往往在中晚期集中出现，因此在设计当中我们完全有必要弄懂这款电路的原理，对于不同型号显示屏要区别对待，不要盲目套用参考设计，在上面的分析当中也可以看出，一个电阻值的差异就会导致背光异常或者超负荷工作。

至此，LED背光驱动电路的原理已完成分析，不知道各位读者是否已完全看懂？你对此文有什么想说的，在评论区留言

原创：卧龙会 终南小师傅

2018年11月19日

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