一種電視新型背光調光方式及應用

摘要：也有部分電視為了解決頻閃問(wèn)題采用傳統的模擬調光技術(shù)，使得模組燈條的調節范圍有限，很難實(shí)現全范圍調光，同時(shí)，由于模擬調光技術(shù)會(huì )引起高亮電視畫(huà)面和低亮電視畫(huà)面的色溫差異，因此為了解決LED電視收看時(shí)不出現閃爍，有效保護眼睛，獲得舒適的觀(guān)看體驗，同時(shí)，為了解決模擬調光限制和亮暗畫(huà)面的色溫偏差，特提出一種新型模擬調光和PWM調光相結合的互補式調光技術(shù)（簡(jiǎn)稱(chēng)APC調光技術(shù)），徹底解決了模擬調光或PWM調光技術(shù)各自的缺陷，成為T(mén)V行業(yè)或其他顯示行業(yè)全新的一種背光調節技術(shù)。

0   引言

目前，LED TV 及其他顯示類(lèi)設備的模組背光主要采用兩種調光方式：模擬調光（analog dimming）和脈沖寬度調制（pulse width modulation，PWM）^[1]。

模擬調光因調光范圍較窄（一般為10%~100%），模擬調光技術(shù)不能滿(mǎn)足顯示設備從亮到暗的全范圍調光，此外，隨著(zhù)LED 電視使用的模組燈條電流不斷增大，在最暗狀態(tài)時(shí)，模組背光調節燈條電流較大，導致LED電視屏幕依然較亮，因此在LED TV 中較少使用。

PWM調光技術(shù)是目前行業(yè)內普遍采用的調光方式，廣泛應用于各類(lèi)LED 顯示設備。通過(guò)調節PWM占空比，調節范圍較寬（一般為1%~100%），能夠實(shí)現LED電視背光由暗到亮控制的全范圍調節，但是，PWM 調光時(shí)模組燈條按照調光頻率周期性的出現“亮- 滅-亮- 滅”交替變化，導致頻閃現象發(fā)生，電視或其他顯示設備的屏幕閃爍會(huì )迫使人眼“眼睫肌”處于緊張的快速張合狀態(tài)，加快疲勞速度，久而久之，會(huì )對眼睛造成傷害。

因此，本文提出了一種新型調光方式“模擬-PWM互補式”調光技術(shù)（analog-PWM complementary dimming technology），簡(jiǎn)稱(chēng)APC 調光技術(shù)。

圖1 LED電視恒流系統框圖

1   傳統調光技術(shù)方案

在LED TV 行業(yè)，大多采用PWM 調光技術(shù)，在顯示器行業(yè)，大多采用模擬調光技術(shù)，也稱(chēng)直流調光技術(shù)（DC 調光），不管采用何種調光方式，其恒流系統原理框圖基本一致，如圖1 所示。

Unit1 是電源系統（PSU），為主板系統和恒流系統供電，同時(shí)，經(jīng)過(guò)電壓變換電路為模組燈條供電。Unit2 是主板系統（mainboard），為恒流控制系統提供使能信號（ENA）和調光信號（ADJ），其中，ENA 用于開(kāi)啟恒流驅動(dòng)器，ADJ 為調光信號。

Unit3 是恒流控制器（LED driver），用于實(shí)現模組燈條恒流控制。其中，Q1 為調光MOS，既可以是恒流控制器的內置MOS，也可根據設計需要，采用外置MOS 匹配。

注：上圖中的PWM 信號和電流信號不代表背光從0~100% 的實(shí)際變化。

1）模擬調光

從圖1 中可以看出，自主板系統發(fā)出ADJ 信號，送至恒流系統的ADIM 腳，此時(shí)，PWM 腳被屏蔽，模組燈條中的電流波形如圖2（a）所示。從中可見(jiàn)，當主板SoC 發(fā)出ADJ 脈沖調光信號，經(jīng)恒流系統轉換為模擬調光信號。當調光占空比恒定時(shí)，燈條電流為恒定的直流波形；當TV 菜單中的背光調節從0~100% 變化時(shí)，ADJ 的占空比隨之增大，對應的燈條電流值亦隨之增加，整機從暗逐漸變亮^[2]。需要說(shuō)明的是，由于模擬調光的調節范圍有限（調光比較?。?，當背光調至0 時(shí)，屏幕依然較亮。例如，以OZ9902D 為例（調光比為3:1），燈條電流為800 mA（100% 占空比），則當背光調至0時(shí)，燈條電流值為：

I_av = I_pk ×33.33% = 800×33.33% = 266.6 mA

從上述計算結果可以看出，當系統調制最暗時(shí)，燈條電流仍有266.6 mA，液晶屏幕依然較亮，不能滿(mǎn)足從暗到亮（或從亮到暗）的全范圍變化要求，因此，在實(shí)際TV 設計中較少使用。

2）PWM 調光

根據圖1，自主板系統發(fā)出ADJ 信號，送至恒流系統的PWM 腳，此時(shí)，ADIM 腳被屏蔽，模組燈條中的電流波形如圖2（b）所示。從圖中可以看出，當主板SoC 發(fā)出ADJ 脈沖調光信號，送至恒流系統，當調光占空比恒定時(shí)，燈條電流為相同頻率的脈沖電流；當TV 菜單中的背光調節從0~100% 變化時(shí)，ADJ 的占空比隨之增大，對應的燈條電流波形占空比值亦隨之增大，整機從暗逐漸變亮。由于PWM 脈沖變化范圍較寬，一般恒流方案可滿(mǎn)足1%~100% 的變化范圍，因此，當背光調至0 時(shí)，主板SoC 軟件可調至1% 的占空比，同樣以燈條電流為800 mA（100% 占空比）為例，燈條電流最小值為：

因此，當系統調至最暗時(shí)，燈條電流只有8 mA，液晶屏幕實(shí)現從暗到亮（或從亮到暗）的全范圍變化要求，可在實(shí)際應用中廣泛使用。但是，在PWM 控制方式下，燈條電流“亮- 滅- 亮- 滅”交替變化，導致頻閃現象，同時(shí)，電源始終工作的動(dòng)態(tài)負載情況下，系統的EMI 效果較差。

2   APC調光技術(shù)

APC 調光技術(shù)是針對目前傳統的模擬調光和PWM調光各自存在的問(wèn)題提出的一種結合兩者優(yōu)勢的新調光方式。APC 調光技術(shù)有3 個(gè)關(guān)鍵技術(shù)點(diǎn)：互補調光控制技術(shù)，低亮高頻調光技術(shù)，互補分界點(diǎn)可調技術(shù)。

注：上圖中的PWM 信號和電流信號不代表背光從0~100% 的實(shí)際變化。

1）互補調光控制技術(shù)

如圖3（a）所示，當主板系統發(fā)出ADJ 調光脈沖信號（即PWM 調光信號）送至恒流控制器后，恒流控制器接收外部背光從0~100% 變化，對應調光信號占空比在a 點(diǎn)由PWM調光段（part1）轉至模擬調光段（part2），對應燈條電流變化亦由PWM 電流波形轉至直流，此后到最大占空比（對應背光為100%）的過(guò)程中，燈條電流均為DC 調光電流，實(shí)現互補調光，從而實(shí)現了全范圍調光。

2）低亮高頻調光技術(shù)

APC 調光技術(shù)另一個(gè)特點(diǎn)是：在低亮段（背光從0~a 范圍內），PWM 調光頻率（part1）經(jīng)倍頻電路轉化為20 kHz 以上調光頻率，原因為：①在PWM 調光段內，消除電視畫(huà)面的頻閃問(wèn)題；②根據人耳能聽(tīng)到聲音頻率范圍20 Hz~20 kHz，該調光方式可消除了低亮段調光時(shí)電路的噪聲問(wèn)題。

3）互補分界點(diǎn)可調技術(shù)

由于LED 電視尺寸大小及模組燈條電流大小不同，根據實(shí)際畫(huà)質(zhì)調試需要，為了彌補低亮度色溫偏差問(wèn)題，設置了互補分界點(diǎn)比較電路，可根據實(shí)際需要靈活調節模擬調光和PWM調光的分界點(diǎn)，以滿(mǎn)足畫(huà)質(zhì)調節的需要。通過(guò)以上分析可以看出，APC 調光技術(shù)既避開(kāi)了模擬調光和PWM 調光各自的缺點(diǎn)，又充分體現了模擬調光和PWM 調光各自的優(yōu)點(diǎn)。表1 從理論和實(shí)驗結果分別對比了模擬調光、PWM 調光及APC 調光3 種方式的優(yōu)缺點(diǎn)，可做設計參考。

3   結束語(yǔ)

本文詳細介紹了傳統調光技術(shù)的原理和存在的問(wèn)題，提出了一種全新的模擬-PWM 互補式調光技術(shù)（APC 調光技術(shù)），詳細介紹了APC 調光技術(shù)的3 種關(guān)鍵技術(shù)，即互補調光控制技術(shù)、低亮高頻調光技術(shù)和互補分界點(diǎn)可調技術(shù)；對APC 互補式調光技術(shù)做了明確定義；還從理論上和實(shí)驗結果對3 種調光技術(shù)做了對比分析。從中可以看出，APC 互補式調光技術(shù)避開(kāi)了模擬調光技術(shù)和PWM 調光技術(shù)的缺點(diǎn)，結合了兩者的優(yōu)點(diǎn)，將成為顯示行業(yè)一種新的調光技術(shù)，為調光技術(shù)大家庭中增添了新的一員，具有很大的實(shí)用價(jià)值和廣泛的應用前景。

參考文獻：

[1] WINDER S.LED驅動(dòng)電路設計[M].謝運祥,王曉剛,譯.北京:人民郵電出版社,2009.

[2] 張占松,蔡宣三.開(kāi)關(guān)電源的原理與設計[M].北京:電子工業(yè)出版社,2004.

（本文來(lái)源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2021年12月期）