RGB LED背光方案崛起高端移動(dòng)市場(chǎng)

　　逼真度/節能/尺寸缺一不可 便攜式裝置背光照明受重視

　　在便攜式裝置的背光照明設計所面臨的挑戰中，色域可以影響畫(huà)面的“逼真度”。

　　消費者希望在便攜式裝置上顯示的畫(huà)面能夠盡量接近實(shí)物或實(shí)景。同時(shí)，顯示器的耗電量也不能夠太大以免影響移動(dòng)電話(huà)的使用時(shí)間，因此顯示器的節能技術(shù)也很重要。此外，從便攜式裝置的角度來(lái)看，顯示器尺寸絕對是重要的考慮因素。因此，為了滿(mǎn)足市場(chǎng)的需求并設計出成功的產(chǎn)品，今天的工程人員必須克服種種嚴峻的挑戰。

　　雖然冷陰極燈管(CCFL)/白光發(fā)光二極管(WLED)是目前較為普遍的顯示器背光照明設計技術(shù)，不過(guò)RGB LED背光照明設計正快速的崛起。以下將分別評估這兩種背光照明技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)以及所面臨的設計挑戰。

　　RGB完整滿(mǎn)足使用需求

　　目前大多數采用CCFL照明的顯示器，大約可以覆蓋40～76%的彩色電視廣播標準(NTSC)色域，而采用RGB LED背光照明技術(shù)的顯示器，其N(xiāo)TSC色域覆蓋率可超越100%，這是肉眼都可以分辨出來(lái)的差別。

　　但對比較高端的移動(dòng)顯示器而言，存在著(zhù)幾個(gè)主要的設計挑戰：究竟如何才可以重現最逼真的影像？如何在高效率及小尺寸條件下實(shí)現高畫(huà)質(zhì)？以及如何解決掀蓋式電話(huà)和旋蓋式電話(huà)的背光照明設計問(wèn)題。

　　一般而言，白光LED包含一個(gè)藍色或接近紫外光的發(fā)光芯片，上面涂有磷光劑材質(zhì)，該磷光層會(huì )吸收從LED發(fā)射的光線(xiàn)，再以較長(cháng)的波長(cháng)發(fā)射出來(lái)?？墒怯闪坠鈩┧a(chǎn)生的光子會(huì )有超過(guò)一半散射回LED芯片，導致很大部份的光線(xiàn)被吸收掉，導致白光LED的整體光輸出量減少(圖1)。

圖1　含磷白光LED的典型放射光譜

　　白光LED擁有一個(gè)很強的藍光波峰及一個(gè)比藍光低但較寬廣的磷黃光波峰，而不同的藍光及黃光強度組合便可產(chǎn)生不同的光線(xiàn)頻色，可以讓呈現的顏色比較白或比較藍。

　　如圖2所示，白光LED的光譜與彩色LCD的彩色濾光片并不匹配，導致部分能量耗散。此外，由于必須為WLED的光譜進(jìn)行伽瑪校正(Gamma Correction)，因而損失了色彩的深度，尤其在紅色的部分。

圖2　WLED與彩色LED濾光片頻譜分配

　　RGB LED的回應(圖3)共有三個(gè)波峰，分別來(lái)自于紅、藍以及綠色的LED。每個(gè)波峰的振幅都可以獨立控制，從頻譜的比較可看到白光LED在紅光頻譜范圍內的響應較弱，因此這范圍內的視覺(jué)靈敏度也很低。

圖3　RGB 背光及LCD彩色濾光片

　　使用RGB背光照明技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)顯而易見(jiàn)，除了毋須加上黃色，也不必使用多色彩磷光層。另外，RGB背光照明技術(shù)擁有寬廣的色域(>100% NTSC)。此外，由于是采用光的三原色關(guān)系，它還可進(jìn)行白點(diǎn)(即三原色重迭區域的中央位置)調節。

　　即使將流經(jīng)LED的電流保持固定不變，LED的亮度(圖4)還是其作業(yè)溫度的一個(gè)函數，因此LED的光亮度會(huì )隨溫度的變化而呈現動(dòng)態(tài)性變化，當中以紅色光的變化與溫度變化相關(guān)性最高。

圖4　LED亮度與溫度之關(guān)聯(lián)性

　　圖5中的“封閉式回路”控制可以確保整個(gè)工作溫度范圍內的白平衡，其中脈沖寬度調變(PWM)邏輯會(huì )根據周遭環(huán)境的溫度，然后透過(guò)改變PWM的工作周期(12位分辨率)為紅、綠及藍光LED進(jìn)行光亮度補償。RGB的光度特性可由客戶(hù)預先程序化，并且燒錄在1kb的電子可擦寫(xiě)可編程只讀存儲器(EEPROM)內存內。

圖5　燒錄在EEPROM內的RGB特性

　　RGB LED大幅提升效率

　　RGB背光照明的效率取決于三個(gè)因素，可以藉由采用可適性輸出電壓、加強LED的驅動(dòng)能力--即加強PWM對LED電流的控制，以及減少紅光LED驅動(dòng)器的損耗，以及彩色濾光片的傳輸能力等方面提升效率。

　　以市面上的升壓轉換器作為加強效率的一個(gè)實(shí)例可以看出，使用該轉換器后，即使遇上大的電壓增益和4.7微亨利(μH)、3毫米×3毫米×1毫米的小型電感器，系統都可得到卓越的效率。此外，可適性升壓控制能夠自動(dòng)地以每級0.25伏特的幅度將輸出電壓調節到最小的要求，毋須為了遷就制程技術(shù)或溫度變化而為L(cháng)ED順向電壓(Vf)變化預留空間。

　　表1比較了WLED和非最佳化RGB LED驅動(dòng)之間的效率。在整個(gè)測量過(guò)程中，WLED都以直流電壓去驅動(dòng)，其結果會(huì )因為供電變化、測量設定以及儀器的不同而變化。結果顯示W(wǎng)LED的效率比非最佳化RGB驅動(dòng)高出25～30%。

表1　未經(jīng)最佳化RGB與WLED的比較

　　將RGB驅動(dòng)中的PWM控制(表2)最佳化，效率可達到大約15%的提升，即使由于功率較高而導致PWM值在開(kāi)始時(shí)較高，進(jìn)而使背光照明的溫度提升到70℃。

表2　經(jīng)最佳化RGB與WLED的比較

　　然而在較低的亮度下(即較低功率及溫度)，RGB在驅動(dòng)效率方面的改善比WLED來(lái)得更好。同時(shí)，WLED的亮度會(huì )受溫度影響，RGB的亮度則可以保持穩定。

　　另外，在相同的色域條件下，由于RGB可以使用比較廣泛的彩色濾光片，使得其效率可進(jìn)一步改善。因此，在相同的色域下，只要彩色濾光片的光傳輸率有10%的改善就可以為整。