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Study on LED backlight dimming technique and high step-up DC/DC converter for LED TV = LED TV 시스템을 위한 LED 백라이트 디밍 기법 및 고승압 전원 모듈 장치에 관한 연구
서명 / 저자 Study on LED backlight dimming technique and high step-up DC/DC converter for LED TV = LED TV 시스템을 위한 LED 백라이트 디밍 기법 및 고승압 전원 모듈 장치에 관한 연구 / Dae-Youn Cho.
저자명 Cho, Dae-Youn ; 조대연
발행사항 [대전 : 한국과학기술원, 2012].
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As IT develops every year, new IT products are replacing the conventional ones. Along with it, there are over three to five hundred million IT trash being dumped. Hidden toxin from the tech trash causes severe environmental pollution and this has become an arising matter. European developed countries have published a RoHS directive forbidding the usage of noxious materials. They will refuse to import the products which do not comply with the platform as a means to suppress the companies which use them. RoHS has brought a great change in the production of electronics. LCT TV, for instance, has been us-ing mercury to enhance the light efficiency for a must-have component, fluorescent lamp type backlight. However, its usage is limited under the directive of RoHS. Thus, LCD companies are granted a grace period and embark upon the development of environmentally-friendly LCD. As a result, fluorescent lamp backlight is being replaced by LED backlight. LED backlight is an eco and a semiconductor device whose life-span is longer than fluorescent type. Since LED backlight is produced through the assembly of spread point light sys-tem, light source will have its freedom when positioning, enabling 0D, 1D, 2D dimming. LCD TV with so many benefits has brought a huge change to this market. LCD TV which used LED backlight is now called LCD TV and has been differentiated. In 2012, LCT TV with fluorescent lamp is taking over 50% of the TV market and within five years it is expected to take over 90% of it. Many LED TV system related research, especially ways to reduce power consumption are being con-ducted. First, power consumption was reduced through backlight dimming method. It is clear that the conven-tional system which does not use backlight dimming lose a great deal of energy. In order to show a dark im-age, backlight is on bright, and with the information from the image, the transmittance of liquid crystal is then adjusted to determine the brightness of the pixels. On the other hand, once the backlight dimming method is applied, backlight is on dark, emitting a small amount of light. Then the transmittance of liquid crystal is ad-justed to transmit more light, which would determine the brightness of the pixels. From this, monitors with the same brightness of the pixels lose much less energy. For the direct-lit backlight which has LED arrangement at the back of the liquid crystal, the screen di-vides up into many blocks of image analysis and dimming. For such dimming blocks, energy saving caused by the backlight dimming is huge. However, since they function on blocks, the same amount of dimming circuit is required. It is inevitable to avoid the high unit cost of production. In order to solve such a matter, X-Y channel dimming driven system was proposed upon operation. When column is divided by M and Row is divided by N block, M+N dimming circuit is required. The com-plexity of the circuit is reduced to (M+N)/MN and the difference of the energy loss is within 10-30%. In order to reduce the gap of energy loss between the block dimming, the number of dimming circuit is increased. This research paper barely alters the dimming algorism and does not increase the complexity of the dimming cir-cuit to reduce the energy lose. X-Y channel dimming does not calibrate the rise of current caused by the tem-perature increase which is the result of current difference and operation time within the LED blocks. Thus, current compensation algorism is recommended. Dimming method is applied to directly reduce the energy loss of LED TV and it is not the only solu-tion. By enhancing the efficiency of the power supply system, power consumption can be reduced. LED backlight driving system is consisted of two structural modules. The first one is LIPS. LIPS has both the PFC AC-DC converter and DC-DC converter. The second module is LED driver which has both the LED DC-DC converter and dimming circuits. In order to achieve high efficiency for LED backlight driving system, each module needs to maximize its efficiency. LIPS is now a standardized module, thus the usage of new topology is not in need. This paper deals with the research on LED driver module. Due to the design which has been standard-ized, LIPS supply low output voltage to LED driver module. In case of Edge-lit LED backlight, it has a char-acteristic of having high LED driving voltage. Thus LED DC-DC converter needs high step up capability. Not only that, since LED backlight is defined as pulse load, fast transient response is needed. To satisfy these two properties, this paper suggest new DCM coupled inductor boost converter which utilize resonant operation. The proposed circuit has both the low switch turn off loss and low transformer offset current. What’s more, it can remove the snubber loss of the output diode. Thus, when compared with conventional converters, it can achieve high efficiency. Edge-lit LED backlight has LED dimming circuit linearly connected to LED load. LED dimming circuit change load to pulse load. Thus, LED DC-DC converter is designed to quickly response to pulse load. For this whole process, the equation for a small signal model is designed and a controller is laid out to predict the traits of frequency response. This paper also study methods of maximizing the efficiency of the system through understanding the correlation between the loss of dimming circuit of LED and response traits of LED DC-DC converter.

매년 수 억개 이상 버려지는 IT 폐제품은 심각한 환경 오염을 야기하고 있다. 이에 따라 유럽 선진국들은 새롭게 만들어지는 전자제품내의 유해한 물질 (수은, 납, 카드뮴)의 사용을 제한하는 RoHS 강령을 만든다. IT 생산 업체들은 이를 만족하기 위해 새로운 기술을 요구받게 된다. 특히 LCD TV의 경우 수은을 함유한 형광램프 타입의 Cold cathode fluorescent lamp (CCFL)가 백라이트로 사용되고 있었기 때문에 이를 대체할 새로운 광원이 필요하게 된다. 이에 따라 LED가 백라이트로 사용되게 된다. LED는 친환경 소자이고, 반도체 부품으로 형광 타입에 비해 수명이 길다. 또한 LED를 사용한 백라이트는 LED라는 점광원을 모아서 광을 내기 때문에 광원 배치의 자유로움 때문에 0 dimmensional (0D), 1D, 2D 디밍이 모두 가능하다. 장점들을 많이 가진 LED 백라이트는 현재 LCD TV 시장에서 큰 변화를 가져왔다. LED 백라이트를 사용한 LCD TV를 LED TV라고 차별화 브랜드화 하여서 2012년 TV시장에서는 형광 램프를 사용하는 LCD TV를 50% 이상 대체하고 있고 향후 3년 안에 90% 이상을 대체할 예정이다. LED TV 시스템에서 특히 전력 소모를 감소시키는 방법에 대한 연구가 많이 요구되었다. 먼저 백라이트의 디밍을 통한 전력 소모 감소가 한가지 방법이다. 백라이트 디밍을 하지 않은 시스템에서는 어두운 이미지를 표현할 때도, 백라이트를 항상 밝게 키고, 이미지 정보를 가지고 액정의 투과율을 조정하였다. 반면에 백라이트 디밍 방법을 적용하게 되면, 어두운 이미지를 표현할 때, 백라이트는 어둡게 키고, 대신 액정의 투과율을 더 많이 투과하도록 조절합니다. 결과적으로 동일한 픽셀 정보를 가지는 화면을 더 작은 전력 소모로 얻을 수 있게 됩니다. LED 배치가 액정 뒷면에 배치되어 있는 직하형 구조의 경우, 한 화면을 여러 block으로 나누어 영상 분석 및 디밍을 각 블록 별로 한다. 이런 로컬 디밍의 경우 백라이트 디밍에 의한 전력 소모 감소 효과가 매우 크다. 하지만, 블록 별로 구동을 하기 때문에 dimming circuit이 블록 개수와 동일하게 요구된다. 이는 높은 생산단가를 야기한다. 이런 문제점을 해결하기 위해 X-Y 채널 디밍 구동을 제한했었다. Column이 M, Row가 N 블록으로 나누었을 때, M+N 디밍 회로가 요구되었다. 또한 블록 디밍과 비교하여 회로 복잡도 50% 이상 줄이면서, 전력 소모 차이를 10% 내외로 가져간다. 블록 디밍과 전력 소모 차이를 줄이기 위해 디밍 회로의 개수를 늘리는 방법이 있다. 본 논문에서는 디밍 회로의 복잡도 증가 없이 단지 디밍 알고리즘 변화만으로 전력 소모를 줄였다. 한편 X-Y 채널 디밍의 경우 LED 블록 간 전류 편차 및 구동 시간에 따른 온도 상승에 의한 전류 상승을 보정하지 않고 있기 때문에, 전류 보상을 해준다. LED 백라이트 구동 시스템은 다단계 구조로 되어 있습니다. LIPS 모듈에서 AC입력을 받아 PFC 컨버터를 지나서, DC-DC 컨버터를 거쳐 낮은 출력 전압을 냅니다. LED 드라이버 모듈에서는 이 입력을 받아 LED dc-dc 컨버터를 거쳐 LED 구동에 적합한 구동 전압을 만들어줍니다. 한편 LED 블록들의 디밍을 해주는 회로가 존재합니다. 이런 다단계 구종의 경우 한단의 효율만 낮아져도 전체 효율 감소를 가지기 때문에 각 모듈에서의 효율 극대화가 요구되고 있습니다. LED dc-dc 컨터버 부를 제외하면 모듈화가 진행되어 있기 때문에 주로 LED dc-dc 컨버터와 관련된 연구가 많이 진행되었다. 특히 엣지형 LED 백라이트의 경우 높은 구동 전압을 가지면서 pulse load 특징이 있기 때문에 빠른 응답 특성 및 고승압 특성이 요구된다. 본 논문에서는 커플드 인덕터를 이용한 고승압 dc-dc 컨버터를 제안한다. 기존 컨버터의 간단한 회로 구조를 가지면서 효율 상승을 가진다.또한 빠른 응답 특성을 만족시키기 위해 소신호 모델을 얻어 주파수 응답 특성을 예측하고, 제어기 설계를 최적으로 가져간다. 한편 엣지형 LED 백라이트에서 LED 로드에 직렬 연결된 전류 레귤레이터가 있는데, 이 전류 레귤레이터의 손실과 응답 특성의 상관 관계를 얻고, 시스템 최적 효율을 얻는 방법에 대해 고찰한다.

서지기타정보

서지기타정보
청구기호 {DEE 12047
형태사항 vi, 76 p. : 삽도 ; 30 cm
언어 영어
일반주기 저자명의 한글표기 : 조대연
지도교수의 영문표기 : Gun-Woo Moon
지도교수의 한글표기 : 문건우
수록잡지명 : "A Novel Adaptive Dimming LED Backlight System With Current Compensated X-Y Channel Drivers for LCD TVs". Journal of Display Technilogy, v.7. no.1, pp. 29-35(2011)
Including Appendix : A, LED backlight design - B, X-Y channel dimming algorithm with separated LED matrix design - C, Coupled inductor step up topology variation - D, Output impedence derived from state space averaging
학위논문 학위논문(박사) - 한국과학기술원 : 전기및전자공학과,
서지주기 References : p. 70-74
주제 LED backlight
dimming
coupled inductor
transient response
phase shift X-Y channel dimming
Current compensated X-Y Channel dimming
LED 백라이트
디밍
결합 인덕터
과도 응답 특성
위상 천이 X-Y 채널 디밍
전류 보상 X-Y 채널 디밍
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