液晶顯示屏LED背光源均勻亮度控制

發(fā)光二極管（LED）在各種終端設備的廣泛應用早已讓許多人跌破眼鏡：從汽車(chē)頭燈、交通號志、文數字顯示器、廣告廣告牌、與大型顯示器等現有技術(shù)，到一般大樓照明設備以及液晶顯示器背光源等其它應用，日益盛行的LED光源使得最普遍的產(chǎn)品也要隨之重新設計。隨著(zhù)效率和亮度不斷增加以及成本持續下降，LED終將取代傳統光源成為消費性應用的主要照明來(lái)源。本文將針對液晶顯示器的LED背光源與其它大型顯示器的光源技術(shù)進(jìn)行比較，藉以說(shuō)明LED應用設計所需面對的挑戰。

像點(diǎn)修正技術(shù)解決LED亮度差異問(wèn)題

體育館或廣告用的大型看板通常包含數十組顯示面板與數千顆LED。在每塊顯示區內，每顆LED（又稱(chēng)為像素）所發(fā)出的亮度差異也會(huì )很大；通常最亮和最暗的LED相差可達15%至20%以上，這使廠(chǎng)商必須持續解決品質(zhì)和管理等困難問(wèn)題。雖然所有LED應用都會(huì )遇到這類(lèi)問(wèn)題，但在動(dòng)態(tài)視頻顯示等需要均勻亮度的高品質(zhì)應用上卻顯得特別嚴重。制造商大都采取兩種方法來(lái)彌補亮度差異，一種方法是向供應商購買(mǎi)亮度相近的LED；另一種方法則是采用內含「像點(diǎn)修正（dotcorrection）」能的高品質(zhì)LED驅動(dòng)元件。

亮度相近的LED有許多優(yōu)點(diǎn)，其價(jià)格通常也較高。供應商會(huì )先測量LED在特定電流下的亮度，然后把亮度相近的紅光、綠光和藍光LED組合在一起。這種方法可在最不影響設計的情形下為低階照明系統提供均勻亮度；其缺點(diǎn)則是每顆LED的亮度耗損速度都不同，因此經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后亮度又會(huì )變得不均勻。這項缺陷使它僅能做為短期解決方案，否則經(jīng)過(guò)一兩年后，畫(huà)面又會(huì )變成一塊一塊。除此之外，若面板發(fā)生故障而需要更換，新面板與原有面板的亮度也會(huì )出現極大差異。

高階顯示器系統對于亮度匹配的要求更為嚴苛，單靠采用亮度相近的LED并無(wú)法滿(mǎn)足這類(lèi)應用的要求。因此為了讓像素和面板在顯示器壽命L期內都能維持均勻亮度，制造商會(huì )選用內建像點(diǎn)修正功能的先進(jìn)LED驅動(dòng)元件。像點(diǎn)修正是藉由調整個(gè)別LED電流來(lái)管理像素亮點(diǎn)的一種方法：處理器只需控制送到整塊LED顯示區的總電流，再由LED驅動(dòng)元件調整個(gè)別LED電流來(lái)產(chǎn)生均勻亮度；這表示處理器可將其運算效能用于其它工作，而不需為了均勻亮度而查詢(xún)表格或在每個(gè)更新L期針對每顆LED進(jìn)行復雜的乘法運算。為了提供像點(diǎn)修正功能，制造商會(huì )透過(guò)畫(huà)面擷取測量每顆LED的亮度，再將系統最暗的LED指定為基準LED，然后將其它像素的亮度調整成和基準LED相同；調整方式則是根據LED輸出亮度將每個(gè)像素的電流減少一定比例。德州儀器（TI）的TLC5940或其它類(lèi)似元件都會(huì )將每顆LED的像點(diǎn)修正值儲存在晶片內建的EEPROM記憶體，或是在每個(gè)更新L期當中做動(dòng)態(tài)修改。這種雙重像點(diǎn)修正方式很有彈性，它既能在外界照明條件改變時(shí)更新整個(gè)面板的亮度，又能提供長(cháng)期保存像點(diǎn)修正資訊以確保面板亮度均勻。只要像素亮度隨時(shí)間出現變化，或是面板因為故障而需要調整和更換，工程人員隨時(shí)都能更新EEPROM資料。我們將用下列例子來(lái)說(shuō)明這種做法。

實(shí)際操作案例

為簡(jiǎn)單起見(jiàn)，此處只考慮同一種顏色的16顆LED，它們來(lái)自于多組面板和數千顆LED所組成的大型顯示系統。我們假設綠色像素的綠光LED必須發(fā)出80毫燭光才能達到面板對于綠色像素的亮度要求。設計人員選擇的LED則為OsramLPE675，它在50mA標準電流下的亮度可分為45-56、56-71、71-90以及90-112毫燭光等四個(gè)等級；這表示只要選擇亮度最高的一組LED，就能確保每顆亮度至少能達到80毫燭光。TLC5940之類(lèi)的元件最多能驅動(dòng)16顆LED，每顆元件只需要一顆電阻來(lái)設定最大電流值。選擇此電阻時(shí)應確保其設定之電流足以讓最暗的LED發(fā)出80毫燭光，LPE675元件資料表顯示它需要43mA的驅動(dòng)電流才能發(fā)出80毫燭光。設計人員可在安裝時(shí)先測量LED在43mA滿(mǎn)電流時(shí)所發(fā)出的亮度，然后產(chǎn)生類(lèi)似圖1的亮度直方圖。圖中第一排資料是以mA為單位的LED電流值，第二排則是以毫燭光為單位的LED亮度值。從圖中可看出LED亮度在未采用像點(diǎn)修正功能時(shí)最多相差±10%，這種差異程度是高階顯示器無(wú)法接受的。驅動(dòng)元件可以根據直方圖所示資料個(gè)別調整、或是「像素修正」每顆LED的電流，使它們最后得以產(chǎn)生均勻亮度；例如它必須將滿(mǎn)電流下的LED1亮度從83毫燭光調整至80毫燭光。TLC5940提供6位元（64階）像點(diǎn)修正功能，其中每一階都相當于滿(mǎn)刻度的1.56%。

下列公式可用來(lái)計算每顆LED的像點(diǎn)修正值：

其中DCproduction是產(chǎn)品制造時(shí)所使用的像點(diǎn)修正值，Lbaseline是所要求的亮度，Linitial則是最大電流下所產(chǎn)生的亮度量測值。

圖1：像點(diǎn)修正前的LED亮度和順向電流直方圖

將計算所得的像點(diǎn)修正值四撾迦氳階罱詠的分數值，再將它乘上原始亮度，即可得到新的LED亮度值。

計算和儲存每顆LED的像點(diǎn)修正資料后，再將LED驅動(dòng)元件設定為最大電流，以便單獨調整每顆LED的電流，如圖2的直方圖所示。只要將像點(diǎn)修正資料存入TLC5940晶片內建的EEPROM記憶體，系統就能在每次開(kāi)機時(shí)取出這些像點(diǎn)修正資料，直到下一次重新校準為止。

圖2：像點(diǎn)修正后的LED亮度和順向電流直方圖

動(dòng)態(tài)亮度調整成為L(cháng)ED背光源TV必備功能

廣告看板、或大型顯示器等室內/室外工業(yè)用顯示器只需「靜態(tài)」調整就已足夠（校準值維持固定不變，直到工程人員重新調整這些校準值為止)；此時(shí)面板亮度的調整會(huì )與系統例行維護作業(yè)一起進(jìn)行。然而新出現的各種市場(chǎng)應用卻需要更先進(jìn)的調整方法，尤其當這項技術(shù)逐漸融入消費性產(chǎn)品和家庭生活后，設計人員必須針對LED亮度隨時(shí)間而改變的現象進(jìn)行控制和調整。

雖然這個(gè)轉變過(guò)程仍在起步階段，其所需的技術(shù)卻已經(jīng)存在。新力（40Qualia005）以及三星（46LNR460D）都已推出采用LED背光源的液晶電視；但它們并非我們想像般使用白光LED，而是將紅光、藍光和綠光LED組合在一起并進(jìn)行控制，以產(chǎn)生亮度可調整的白色光源。LED背光源有許多勝過(guò)傳統燈泡的優(yōu)點(diǎn)，像是電源效率更高、移動(dòng)畫(huà)面殘影更少、色譜范圍更廣（某些場(chǎng)合大于105%NTSC)、壽命更長(cháng)、以及色溫可調整等；其畫(huà)質(zhì)更是傳統光源無(wú)法比擬。另一方面，裼LED背光源的電視工程師不僅會(huì )面臨傳統面板制造商所遇到的亮度差異困擾，更會(huì )遇到溫度帶來(lái)的挑戰；這是因為L(cháng)ED亮度隨溫度改變的特性會(huì )對電視背光應用造成極大影響。另外，這類(lèi)電視若要提供最佳畫(huà)質(zhì)，就必須針對消費者家里不斷變動(dòng)的照明狀況調整背光源的各項屬性。這些技術(shù)考量，加上電視是一種消費應用的事實(shí)，讓動(dòng)態(tài)亮度調整成為L(cháng)ED背光源不可或缺的功能。