LED背光分區調光在平板電視中的應用

摘?要：國家發(fā)改委和工信部在2016年5月18日發(fā)布的《關(guān)于實(shí)施制造業(yè)升級改造重大工程包的通知》中指出，新型平板顯示工程領(lǐng)域是我國的重點(diǎn)發(fā)展方向,這體現了國家對顯示屏及相關(guān)產(chǎn)業(yè)的重視。LED作為背光光源，其功耗低、壽命長(cháng)的特點(diǎn)，被廣泛應用于戶(hù)外顯示、液晶屏、平板電視等。隨著(zhù)近幾年技術(shù)的快速發(fā)展，LED 背光分區越來(lái)越多地被顯示器、平板電視采用，本文將從LED背光分區調光技術(shù)在平板電視中的應用進(jìn)行詳述，希望通過(guò)此文章使大家對背光分區調光電視有所了解。

關(guān)鍵詞：LED；分區調光；平板電視

LED，全稱(chēng)發(fā)光二極管，是一種常用的發(fā)光器件，通過(guò)電子與空穴復合釋放能量發(fā)光。近些年來(lái)，LED 憑借功耗低、壽命長(cháng)的優(yōu)點(diǎn)，不斷在顯示領(lǐng)域發(fā)揮著(zhù)重要作用，本文將主要從 LED 背光分區調光技術(shù)定義、特性等內容，對其在平板電視中的應用進(jìn)行詳細講述。

1 LED背光分區調光技術(shù)

1.1 分區調光技術(shù)

分區調光技術(shù)，即區域調光（Local Dimming），可以獨立地控制指定區域。區域調光控制技術(shù)是根據所要顯示的區域圖像內容決定背光亮度或顏色，并對 LCD 控制信號進(jìn)行調制，在保持圖像亮度的前提下，有效地節省功耗，提高對比度。^[2]

液晶顯示圖像可感知情況可表述為：呈現在人眼中的圖像是屏幕上的圖像內容加背光顯示，通過(guò)對背光進(jìn)行分區調節，可以實(shí)現畫(huà)面亮處顯示更亮，暗處顯示更暗的效果，一方面可以節省功耗，二是可以提高對比度。

Local Dimming 由兩個(gè)部分組成，背光部分和圖像補償部分。通過(guò)背光控制實(shí)現對比度提升，同時(shí)由于一幅畫(huà)面過(guò)來(lái)時(shí)，在暗區的燈亮度也會(huì )比較暗，這個(gè)時(shí)候會(huì )出現暗場(chǎng)細節不清晰的問(wèn)題，因此需要進(jìn)行圖像補償補回暗場(chǎng)細節。

1.2 分區調光技術(shù)主要特點(diǎn)

分區調光功耗更低：無(wú)分區背光的顯示器就是一整個(gè)背光面同時(shí)發(fā)光；有分區背光則是背光源分成多個(gè)區域，每個(gè)區域都可以進(jìn)行獨立的控光。

分區調光對比度更高：亮和暗的區域對比明顯，畫(huà)面層次更好。

分區調光峰值亮度高：亮區域的峰值亮度，通過(guò)軟件算化控制，可以在不增加功耗的基礎上，大幅增加峰值亮度；這一特點(diǎn)可應用于場(chǎng)景環(huán)境光很強，需要提升顯示設備亮度的情況。

1.3 分區調光技術(shù)在LED背光上的應用

分區調光技術(shù)在液晶顯示上主要應用于側入式和直下式 LED 背光，可提升畫(huà)面對比度，提高峰值亮度等。由于側入式 LED 背光搭載分區調光帶來(lái)較明顯的缺點(diǎn)即滲光（光暈）現象，當峰值亮度越高，對比度越高，滲光現象越嚴重；當峰值亮度將低，滲光現象越減弱，但對比度也同時(shí)降低。而直下式背光方式能較好地改善滲光（光暈）現象，因此，分區調光技術(shù)目前主要以直下式背光進(jìn)行畫(huà)質(zhì)提升。

2 分區調光技術(shù)在平板電視中的應用

目前，在平板電視 LED 背光應用中，背光調整技術(shù)主要有全局（Global）調光和區域（Local）調光兩種。

Global Dimming 調光是針對整個(gè)畫(huà)面進(jìn)行調整，高亮拉升的同時(shí)，低亮會(huì )同時(shí)拉升，背光的功耗也會(huì )對應增加；低亮壓低的同時(shí)，高亮同時(shí)壓低，會(huì )影響到圖像的景深顯示效果。

為了解決 Global Dimming 全局背光控制的這些缺點(diǎn)，提升顯示畫(huà)面的動(dòng)態(tài)對比度，更好地優(yōu)化電源的有效功率，降低整機的功耗，在平板電視上對 Local Dimming 技術(shù)進(jìn)行研究及應用。

2.1 分區調光在平板電視上應用的系統架構

圖1 分區調光在平板電視上應用的系統架構

分區調光的控制主要有兩種方式，分別如下。

1）SOC → MCU（百分區級）/FPGA（千分區級及以上）→?驅動(dòng)模塊?→?背光模塊

該架構分區調光算法可存放在 MCU/FPGA 中，可 自主進(jìn)行算法設計，且更改調整相對比較方便；帶載能力較強，對分區數大小沒(méi)限制；缺點(diǎn)是 SoC(MTK**)/ FRC(6 M**)、MCU/FPGA、驅動(dòng)模塊的同步處理比較復雜。

2）SoC →?驅動(dòng)?→?背光模塊

該架構是 SoC 直推驅動(dòng)，同步及數據處理相對簡(jiǎn)單；缺點(diǎn)是分區數越多占用 SoC 資源越多，同時(shí)設計產(chǎn)品的差異化減少。

2.2 分區驅動(dòng)技術(shù)應用

隨著(zhù) LED 背光分區技術(shù)的發(fā)展，平板電視上的分區數量已涵蓋幾十分區到上千分區。從產(chǎn)品驅動(dòng)方面來(lái)看，背光方案設計遵循“低分區少 IC，高分區多 IC”的原則，同一方案有不同的 IC 設計選擇，其主要取決于系統可制造性、功耗、成本等。

Mini-LED 技術(shù)的發(fā)展推動(dòng)了驅動(dòng)技術(shù)發(fā)展，該顯示技術(shù)主要分為兩大類(lèi)，一類(lèi)是直接將 Mini LED 通過(guò)無(wú)源矩陣 (PM) 驅動(dòng)或有源矩陣 (AM) 驅動(dòng)，是最接近 Micro LED 的顯示技術(shù)，尚有多項技術(shù)問(wèn)題未攻克 , 沒(méi)有實(shí)現商業(yè)化應用；另外一類(lèi)則是 Mini LED 背光技術(shù)，通過(guò)將 Mini LED 背光與 LCD 結合，可以大幅提升 LCD 在對比度和運動(dòng)模糊方面的性能。^[3]

PM（Passive Matrix，被動(dòng)矩陣）方式靜態(tài)或者掃描實(shí)現方式。靜態(tài)方式：高壓大電流方式，成本及可靠性最優(yōu)，平板電視大批量出貨，分區數集中在百分區級；主要應用于傳統 LED 背光方案。

掃描方式：高壓小電流方式，分區越多，相比靜態(tài)成本越低，平板電視小批量出貨，分區數集中在千分區級；主要應用于傳統 LED、Mini LED 背光方案。

AM 方式（Active Matrix，動(dòng)態(tài)矩陣）：低壓小電流方式，大幅降低成本，優(yōu)勢明顯；軟件協(xié)議可靠性，信號傳輸完整性等需要大量實(shí)驗驗證優(yōu)化改進(jìn)；分區數集中在幾千分區級；主要應用于 Mini LED 背光方案。

從實(shí)現方式來(lái)說(shuō)，分區驅動(dòng)在系統內可設計為：燈驅分離，即 LED 燈和驅動(dòng)芯片分開(kāi)，用線(xiàn)束連接；燈驅合一，即 LED 燈和驅動(dòng)芯片放置于同一個(gè)玻璃基或鋁基板或 FR4 板等，通過(guò)印制板走線(xiàn)，取消線(xiàn)束。

2.3 分區驅動(dòng)算法應用

Local Dimming 算法設計主要分為對比度提升算法和功耗限定算法。先對圖像的亮度灰階值進(jìn)行對比度提升算法，然后再根據背光功耗的限定值對 PWM 占空比進(jìn)行限制，得到最終值提供給背光驅動(dòng)來(lái)控制背光。

從圖像信息中提取背光驅動(dòng)信號的方法。

（1）平均值法，通過(guò)計算每個(gè)分區的所有像素灰度平均值確定背光強度，所確定的背光強度偏暗，此方法對比度高且功耗小，但圖像失真較嚴重。

（2）平方根法，通過(guò)計算每個(gè)背光分區的灰度平均值，然后歸一化取均方根值來(lái)確定背光強度，可進(jìn)一步增強平均值法的背光信號，避免了背光過(guò)暗的問(wèn)題，但仍避免不了圖像失真的現象。

（3）最大值法，將對應的分區所有子像素的最大值作為背光值，該方法雖然可保持大部分的圖像細節，但卻存在較高的功耗，對比度也很難做高。

通過(guò)算法改善畫(huà)質(zhì)，提升動(dòng)態(tài)對比度的顯示效果，優(yōu)化電源有效功率，降低整機的功耗；并且可以針對暗場(chǎng)信號進(jìn)行單獨處理來(lái)有效的改善整機的部分漏光現象。

2.4 分區調光系統設計考慮

從光學(xué)角度講，分區電視中LED燈主要方式有燈條、燈板。第一種燈條方式，成本較低，每一個(gè)區的燈顆數不宜較多（單排燈較多光形圖較差）；第二種燈板方式，成本較高，每一個(gè)區的燈顆數，可以根據光形圖進(jìn)行設計排布，光形圖可以接近正方形。因為每一個(gè)區的光形圖對于畫(huà)質(zhì)優(yōu)化有著(zhù)極大影響，所以燈的排布是需要系統考慮的。

從整機功耗角度講，電流越高，熱隨之增加，平板電視整機功耗上升，效率就會(huì )下降。從系統角度講，使用小尺寸芯片并降低驅動(dòng)電流，相應地通過(guò)增加背光分區控制來(lái)提升電視畫(huà)質(zhì)。

從產(chǎn)品定位講，平板電視背光到底要做到多少分區才算合理，目前沒(méi)有明確的標準，還是要綜合考慮亮度、外觀(guān)造型、成本、系統可制造性等因素。

2.5 平板電視行業(yè)發(fā)展

目前，各平板電視廠(chǎng)商大力布局 Local Dimming 功能的整機，目前帶分區調光功能的產(chǎn)品在市場(chǎng)上都取得了不錯的市場(chǎng)反響。分區技術(shù)發(fā)展及應用預期如下。

（1）顯示（畫(huà)質(zhì)）技術(shù)迭代，Mini LED/Micro LED 是目前最為可能的下一代顯示技術(shù)，或將成為未來(lái) 5~10 年顯示行業(yè)的發(fā)力點(diǎn)。Mini LED 是 Micro LED 的先導技術(shù) , 在液晶顯示應用中被定義為“高階直下式再升級”產(chǎn)品。各大終端消費電子品牌相繼推出了基于 Mini LED 背光的新產(chǎn)品，成為電視行業(yè)新的技術(shù)發(fā)展趨勢。

（2）PM分區技術(shù)短期內仍是百分區級的主流方案，但 AM 分區技術(shù)已有下沉的趨勢（百分區級）；分區數越多越有利于提升顯示品質(zhì)，但是相應需要 LED 數量和 LED Driver IC 的數量就會(huì )增加，由此就帶來(lái)了成本的上升。另外一方面，PM Mini LED 和 AM Mini LED 在技術(shù)上有一些路線(xiàn)的差異，這也會(huì )影響到分區路線(xiàn)的選擇。如果采用 AM 背板，可以有效減少 LED Driver IC 使用數量，更容易實(shí)現 1 000 分區以上，可以實(shí)現更細膩的顯示效果。

3 結語(yǔ)

隨著(zhù) LED 背光分區技術(shù)的發(fā)展，平板電視上的分區數量已涵蓋幾十分區到上千分區，在消費升級的大環(huán)境下，分區調光技術(shù)成為了未來(lái)電視行業(yè)發(fā)展的主旋律，將最先進(jìn)的技術(shù)與產(chǎn)品完美融合，讓更多、更好的平板電視走進(jìn)每一個(gè)家庭中，讓更多的消費者享受科技帶來(lái)的極致體驗。

參考文獻：

[1] 張昕,吳佩雯,肖書(shū)平,等.顯示驅動(dòng)芯片原理及發(fā)展現狀液晶與顯示[J].液晶與顯示,2020,35(11):17-21.

[2] 李福文,金偉其,邵喜斌,等.基于LED背光源區域控制的高動(dòng)態(tài)范圍液晶顯示技術(shù)進(jìn)展[J].光學(xué)技術(shù),2009(06):29-32.

[3] 季洪雷,陳乃軍,王代青,等.Mini-LED背光技術(shù)在電視產(chǎn)品應用中的進(jìn)展和挑戰[J].液晶與顯示,2021(08):25-27.

(注：本文轉載自《電子產(chǎn)品世界》雜志2022年10月期)