一種LED燈串故障自檢測電路的設計與實現

楊彥卿，郭 晨

(太原航空儀表有限公司，太原030006)

1 引 言

背光模組為液晶顯示模塊(LCM)的重要組成部分，是液晶顯示器(LCD)能夠顯示畫面的前提。LED背光模組因其具有超長壽命、省電、低操作電壓、高顯色指數、低溫操作、反應速度快以及符合環保要求等特點已經成為液晶顯示的主要背光方式[1]。而在實際應用當中，LED為點光源，作為背光，須特別注意液晶顯示器的亮度均勻性。若有某串LED出現故障，就會出現暗線，應將周邊的LED燈串加強點亮進行補光，彌補該處光度減弱的問題。因此，如果LED燈串具備故障自檢測能力就能保證液晶顯示器亮度均勻性，同時也能提高后期的維修效率。基于此，本文設計了一種LED背光模組中燈串故障自檢測電路。

2 總體設計

本文以546 mm(21.5 in)液晶顯示器的直下式LED背光模組[2]為例進行介紹。電路包括燈板和驅動板兩部分。燈板是由36串LED燈組成，每串24顆，作為LCD背光光源；驅動板由CPU、升壓電路、開關電路、恒流源電路和AD/DA轉換電路組成,總體框圖如圖1所示，硬件詳細設計見第三章。

圖1 總體框圖Fig.1 Main block diagram

燈串自檢測原理為：LED背光模組上電后，第一步設置ON/OFF_1=1，使得開關電路1導通，輸出直流+72 V,此時燈串1與恒流源電路1上產生電流，通過AD/DA轉換電路采集AD1信號，判斷燈串1是否故障(故障模式：斷路)；同樣，燈串7與恒流源電路2上也產生電流，通過AD/DA轉換電路采集AD2信號，判斷燈串7是否故障；燈串13與恒流源電路3上也產生電流，通過AD/DA轉換電路采集AD3信號，判斷燈串13是否故障；燈串19與恒流源電路4上也產生電流，通過AD/DA轉換電路采集AD4信號，判斷燈串19是否故障；燈串25與恒流源電路5上也產生電流，通過AD/DA轉換電路采集AD5信號，判斷燈串25是否故障；燈串31與恒流源電路6上也產生電流，通過AD/DA轉換電路采集AD6信號，判斷燈串31是否故障。第二步設置ON/OFF_2=1，使得開關電路2導通，輸出直流+72 V,按照第一步中的原理依次判斷燈串2、燈串8、燈串14、燈串20、燈串26、燈串32是否故障。第三步設置ON/OFF_3=1，使得開關電路3導通，輸出直流+72 V,依次判斷燈串3、燈串9、燈串15、燈串21、燈串27、燈串33是否故障。第四步設置ON/OFF_4=1，使得開關電路4導通，輸出直流+72 V,依次判斷燈串4、燈串10、燈串16、燈串22、燈串28、燈串34是否故障。第五步設置ON/OFF_5=1，使得開關電路5導通，輸出直流+72 V,依次判斷燈串5、燈串11、燈串17、燈串23、燈串29、燈串35是否故障。第六步設置ON/OFF_6=1，使得開關電路中6導通，輸出直流+72 V,依次判斷燈串6、燈串12、燈串18、燈串24、燈串30、燈串36是否故障。

3 硬件設計

3.1 燈板電路設計

546 mm(21.5 in)直下式LED背光模組燈板長508 mm(20 in)，寬203 mm(8 in)，在此面積內均勻分布LED燈，以滿足最大亮度(不小于1 000 cd/m2)和亮度均勻性(不小于85%)的要求。通過計算和仿真，共需864顆LED燈，將其分為36串，每串24顆，其中6串1組，共劃分為6組。每組由一個恒流源電路進行控制，6串LED燈由開關電路輸出的6路電源分別供電。

3.2 驅動板電路設計

3.2.1 CPU

CPU采用TI公司的SM320F2812數字信號處理器，最高運行頻率可以達到150 MHz，內部集成許多外設，能夠提供整套的片上系統，最終實現更簡單、高效的控制。其片上外設主要包括2×8路12位ADC，2路SCI，1路SPI，1路McBSP，1路eCAN接口，并帶有兩個時間管理模塊(EVA、EVB)，分別包括6路PWM/CMP,2路QEP，3路CAP，2路16位定時器。另外，還具有3個獨立的32位CPU定時器，多達56個獨立編程的GPIO引腳，以及18 k的SARAM和128 k字的FLASH等資源[3]。

3.2.2 升壓電路

升壓電路采用TI公司的LM3478，并輔以周邊典型的阻容器件實現，具體見圖2。LED燈串所需電源為直流+72 V，因此需將LM3478設置為直流+72 V輸出，根據LM3478輸出電壓配置公式(1)可得出R6阻值為2.1 kΩ。

R6= (1.26 V×R5)/(Vout-1.26 V)，

(1)

其中：R5=120 kΩ。

圖2 升壓電路原理圖Fig.2 Schematic diagram of boost circuit

3.2.3 開關電路

開關電路主要由ROHM公司的NP雙管SP8M51FRA實現[4],具體原理見圖3。CPU輸出的6個離散量信號ON/OFF分別控制6個開關電路的通斷,當ON/OFF=1時，開關電路導通，輸出直流+72 V，反之截止。

3.2.4 恒流源電路

恒流源電路由TI公司的軌對軌運算放大器TLV9062和AO公司的雙N通道MOSFET管AO4892組成[5]，恒流源電路1原理見圖4。

3.2.5 AD/DA轉換電路

AD/DA轉換電路主要采用TI公司的多通道模數/數模轉換器AMC7836，具體原理見圖5。

圖3 開關電路原理圖Fig.3 Schematic diagram of switching circuit

圖4 恒流源電路1原理圖Fig.4 Schematic diagram of constant current source 1

圖5 AD/DA轉換電路原理圖Fig.5 Schematic diagram of AD/DA conversion circuit

該芯片包含一個21通道12位模數轉換器(ADC)、16 個具有可編程輸出范圍的12 位數模轉換器(DAC)、8個GPIO、一個內部基準電壓以及一個本地溫度傳感器通道，且與CPU之間通過SPI總線進行接口通訊。

4 軟件設計

本設計采用的軟件開發環境是CCS3.1，該開發環境支持TI公司廣泛的微控制器和嵌入式處理器產品系列，它包含了用于優化的C/C++編譯器、源碼編譯器、項目構建環境、調試器、描述器等功能[6]。軟件流程見圖6。

具體實現如下：

(1)初始化CPU；

(2)初始化AMC7836；

(3)將ON/OFF_1對應的GPIO設置為高電

平輸出，其余GPIO設置為低電平輸出；

(4)開啟AMC7836采集；

(5)順序讀取AD1、AD2、AD3、AD4、AD5、AD6對應的ADC通道數據；

(6)驗證6個通道采集的數據是否正確，以此判斷燈串1、燈串7、燈串13、燈串19、燈串25、燈串31有無故障；

(7)將ON/OFF_2對應的GPIO設置為高電平輸出，其余GPIO設置為低電平輸出；

(8)開啟AMC7836采集；

(9)順序讀取AD1、AD2、AD3、AD4、AD5、AD6對應的ADC通道數據；

(10)驗證6個通道采集的數據是否正確，以此判斷燈串2、燈串8、燈串14、燈串20、燈串26、燈串32有無故障；

(11)將ON/OFF_3對應的GPIO設置為高電平輸出，其余GPIO設置為低電平輸出；

圖6 軟件設計流程圖Fig.6 Software flow chart

(12)開啟AMC7836采集；

(13)順序讀取AD1、AD2、AD3、AD4、AD5、AD6對應的ADC通道數據；

(14)驗證6個通道采集的數據是否正確，以此判斷燈串3、燈串9、燈串15、燈串21、燈串27、燈串33有無故障；

(15)將ON/OFF_4對應的GPIO設置為高電平輸出，其余GPIO設置為低電平輸出；

(16)開啟AMC7836采集；

(17)順序讀取AD1、AD2、AD3、AD4、AD5、AD6對應的ADC通道數據；

(18)驗證6個通道采集的數據是否正確，以此判斷燈串4、燈串10、燈串16、燈串22、燈串28、燈串34有無故障；

(19)將ON/OFF_5對應的GPIO設置為高電平輸出，其余GPIO設置為低電平輸出；

(20)開啟AMC7836采集；

(21)順序讀取AD1、AD2、AD3、AD4、AD5、AD6對應的ADC通道數據；

(22)驗證6個通道采集的數據是否正確，以此判斷燈串5、燈串11、燈串17、燈串23、燈串29、燈串35有無故障；

表1 LED燈串自檢結果(正常)Tab.1 Self-detection result of LED string (normal)

表2 LED燈串自檢結果(故障)Tab.2 Self-detection result of LED string (fault)

(23)將ON/OFF_6對應的GPIO設置為高電平輸出，其余GPIO設置為低電平輸出；

(24)開啟AMC7836采集；

(25)順序讀取AD1、AD2、AD3、AD4、AD5、AD6對應的ADC通道數據；

(26)驗證6個通道采集的數據是否正確，以此判斷燈串6、燈串12、燈串18、燈串24、燈串30、燈串36有無故障；

(27)將自檢結果進行存儲。

5 結果分析

設置AD/DA轉換電路中AMC7836的DA1～DA6輸出電壓為738 mV，LED燈串自檢結果見表1所示；人為置燈串6和燈串25故障(斷路)，LED燈串自檢結果見表2所示。

6 結 論

本文設計了一種LED燈串故障自檢測的電路，并以546 mm(21.5 in)液晶顯示器的直下式LED背光模組的設計為例，詳細闡述了硬件電路的組成，燈板、驅動板中CPU、升壓電路、開關電路、恒流源電路和AD/DA轉換電路的具體設計，以及軟件的設計流程。結果表明：該電路可有效的對LED燈串進行故障自檢測。目前該設計電路已經成功應用于我公司多種型號的LED背光模組中。