浅谈Led Driver电路的噪声问题

卢佳惠，陈超平，阮永鑫，田 申，魏玉娜，姜 飞

（1.上海交通大学 电子工程系 智能显示实验室，上海 200240：2.昆山龙腾光电有限公司，昆山 215301）

随着笔记本电脑（Notebook，NB）的普及，人们对NB扩展功能的要求越来越高，其中包括无线局域网（Wireless Local Area Networks，WLAN）、无线广域网（Wireless Wide Area Network，WWAN）功能，在显示方面也要求能够实现自动调节背光亮度，这就需要液晶显示模组具有很高的抗电磁干扰（Electro Magnetic Interference，EMI）能力。图1为薄膜晶体管液晶显示器（Thin film transistor-liquid crystal display，TFT-LCD）背光控制部分的基本结构，其中PWMI（PWM Input）信号由系统控制并送入到时序控制器（Timing Controller，TCON），经TCON处理后输出脉冲宽度调制（Pulse Width Modulation，PWM）信号到背光驱动器（Led Driver），进而动态调节背光亮度。

2 背光驱动模块电流反馈原理

如图2，在正常状态下，输入电源在Led Driver内部的开关控制下，向电感充放电，使Led Driver的输出电压（LED_VOUT）达到灯串的工作电压，从而点亮LED灯串。同时LED电流会反馈给Led Driver，Led Driver侦测灯串工作状态后再继续控制LED_VOUT输出。当反馈异常时，Led Driver启动自保护，停止向电感充放电。

图1 TFT-LCD模组-背光驱动架构

图2 Led Driver电流反馈部分示意图

3 分析噪声产生的原因及解决方案

3.1 电磁干扰及改善

PWM是利用微处理器输出的数字信号来对模拟电路进行控制的一种技术，通过改变方波信号的占空比改变流过Led的电流，达到控制背光亮度变化的效果。TFT-LCD模组的Led电流变化受PWM输入频率调控，PWM频率通常在100Hz～30kHz。

上图2的Led Driver电流反馈部分电路被应用在一款13.3 inch的笔记本电脑模组电路中，PWM频率为3.78kHz。通常为了滤波需要，会在C1、C2、C3、C4处放置对地电容，设计初期电容容值均为33pF。

在分析噪声的过程中，测试LED_VOUT和FB_LED的电压波形，如图3所示，可以明显观察到FB_LED上升时间很快，约30us，高速变化的交流信号会产生电磁干扰。

图3 FB（PWM占空比1%，电容33pF）电压波形

图4 FB（PWM占空比1%， 电容0.1uF）电压波形

为改善电磁兼容（Electro Magnetic Compatibility，EMC），尝试对FB_LED信号进行处理，通过将C1、C2、C3、C4处电容增加到0.1uF，观察此时的FB_LED波形，上升时间变缓慢（如图4），约264us，其中VOUT_LED交流幅值约1.60V，FB_LED幅值约3.16V。

从WWAN测试的结果（表1），及RF测试结果（如图5）来看，反馈（Feedback，FB）处对地电容为0.1uF时，信号干扰可以得到改善。

图5 模组在不同状态下RF Noise对比

3.2 音频噪声原因及改善

在FB处电容改为0.1uF时，出现了音频噪声，尤其当PWM占空比调到1%时，印刷电路板（Printed Circuit Board Assembly，PCBA）上发出了刺耳的蜂鸣声，声音位置在Led Driver反馈处。分析原因为图4中波形上升时间缓慢造成谐波振荡，和常规的音频信号的波形类似，如图6是声音信号经放大器放大后的电压波形。模组电路中若出现类似波形，且频率在人耳识别范围内，会产生人耳可察觉的音频噪声。

为减少EMI干扰的风险，不能去掉FB处的0.1uF电容；除此之外，可以增大FB处谐波的频率，避开人耳敏感频段（300Hz～6KHz）。由于PWM是TCON输出到Led Driver中的，通过修改TCON内部寄存器设置，可更改PWM输出频率。

结合人耳的听觉响应，在十分安静的情况下，人在某个频率刚能听到的最小声强的声音为听阈，而引起听觉疼痛的声音为痛阈，在这两者之间即为人的听觉响应范围，又称听域。可听声频率范围为20Hz～2kHz，但人耳对300～6kHz左右的频段特别敏感。修改TCON Code，将PWM频率设置到20kHz后，人耳未听到噪音，同时测量噪声，数据结果Pass。

图6 正常音频信号波形

4 结束语

经过解析，由电磁干扰产生的LED Driver噪声虽然可以通过调整电容容值改善，但同时也会带来音频噪声，改变PWM频率使FB的波形避开人耳敏感的频率区间可以解决以上两种噪声。因此在设计Led Driver电路部分时，应充分考虑到FB产生谐波振荡的影响。结合客户提供的PWM信号频率和Led Driver规格要求，选取合适的电容容值，并在TFTLCD上通过测量FB的方法具体验证。

[1] 蔡世彦.声压与声压级—噪声小知识.工程机械》，1984（7）：30.