在RGB顯示器中生成一致的LED亮度(圖)

發(fā)光二極管(led)在各種終端設備中已經(jīng)被廣泛使用，從汽車(chē)前照燈、交通信號燈、文字顯示器、廣告牌及大屏幕視頻顯示器，到普通及建筑照明和lcd背光等最新應用，led的迅速采用使得最普通的設備也需要重新設計。隨著(zhù)led效率與亮度的增加以及成本的減少，led有可能會(huì )取代消費類(lèi)應用中的傳統照明技術(shù)。本文通過(guò)比較采用基于led的lcd背光的大屏幕顯示器中所使用的一些技術(shù)，闡述如何解決在使用led時(shí)所面對的一些設計挑戰。

體育場(chǎng)或廣告顯示牌使用了很多顯示面板及成千上萬(wàn)個(gè)led。在每一顯示陣列中，各led(也稱(chēng)為像素)的亮度會(huì )有很大的差異，最亮和最暗led之間的亮度差有時(shí)甚至能高達15%～20%。盡管此問(wèn)題是所有led應用的通病，但在一些要求有像素一致性的高質(zhì)量顯示系統中顯得尤為突出。為彌補這種差異，廠(chǎng)商通常采用兩種辦法：一是從供應商處購買(mǎi)經(jīng)過(guò)匹配的或經(jīng)過(guò)篩選的led；二是采用帶有“點(diǎn)校正”功能的高質(zhì)量led驅動(dòng)器。

led供應商提供經(jīng)過(guò)匹配的led并收取一定的額外費用。他們測試后再將這些rgb(紅、綠、藍)發(fā)光二極管與可在規定電流上產(chǎn)生相似亮度的led組合在一起。利用這種方法雖可以最少的設計工作量來(lái)為低端照明系統提供所需的亮度一致性，但每個(gè)像素隨時(shí)間的衰落速度或亮度下降速度各不相同，因而這種方法只能是一種暫時(shí)的解決方案。換言之，在今后一到兩年內，各像素的亮度將無(wú)法再保持一致。另外，當需要更換有缺陷的面板時(shí)，新?lián)Q上的面板的亮度在視覺(jué)上也會(huì )和其他面板有差異。

高端顯示系統對亮度匹配的要求很高，因此僅采用led匹配這種方法還遠遠不夠。為在顯示單元的整個(gè)壽命周期內獲得像素與面板亮度的一致性，廠(chǎng)商們普遍采用帶有點(diǎn)校正功能的高級led驅動(dòng)器。點(diǎn)校正是一種通過(guò)調整流入陣列中每個(gè)led的電流來(lái)控制像素亮度的方法。利用點(diǎn)校正功能，處理器可以控制流入led面板的所有電流，同時(shí)led驅動(dòng)器可調整供給每個(gè)led的電流并產(chǎn)生一致的亮度。因此就不再需要查找表，也不需要led在每個(gè)刷新周期的復雜倍乘任務(wù)，處理器可以把節省下來(lái)的資源用來(lái)執行其他任務(wù)。為實(shí)現點(diǎn)校正，廠(chǎng)商通過(guò)照相來(lái)測量每個(gè)led的亮度。系統中最暗的led被指定為基本led，而其他所有像素均與其進(jìn)行比較。為進(jìn)行這種校正，供給每個(gè)像素的電流都乘以一個(gè)和led光強成正比的小數(或分數)。在像ti tlc5940中，每個(gè)led的點(diǎn)校正值在每個(gè)刷新周期內都可以有很大的不同，并能存儲在集成eeprom中。這種“雙點(diǎn)校正”方法可提供讓整個(gè)面板亮度隨外部照明條件的改變而更新的靈活性，并能提供長(cháng)期及非易失性的點(diǎn)校正信息，來(lái)確保面板亮度的一致性。亮度指標會(huì )隨時(shí)間而改變，eeprom中的數據可以進(jìn)行重新校正，若面板出現故障要求更換，eeprom中的數據也可以進(jìn)行重寫(xiě)。下面用一個(gè)具體例子來(lái)闡述這種方法。

為簡(jiǎn)單起見(jiàn)，只考慮由多個(gè)面板及數千個(gè)led像素組成的完整顯示系統中一種顏色的16個(gè)led。視頻面板中綠像素的亮度指標可能要求該像素的綠色led具有80mcd的亮度。所選led(osram lp e675)按亮度分成四個(gè)組：45～56mcd、56～71mcd、71～90mcd及90～112mcd。每組亮度均在50ma的電流上測量。選擇亮度最高的組并保證其每個(gè)led均具有至少80mcd的亮度。對于像tlc5940這樣的芯片，可用一個(gè)電阻來(lái)設置每片ic的最大電流，使每片ic都能驅動(dòng)16個(gè)led。該電阻值必須能將電流設置成足夠高，以使最暗的led也能產(chǎn)生80mcd的亮度。因此，根據lp e675的數據資料，芯片必須有43ma的驅動(dòng)電流才能產(chǎn)生80mcd的亮度。通過(guò)在安裝位置上測量led的滿(mǎn)電流(43ma)亮度，即可得到如圖1所示的led亮度直方圖。其中x軸為以ma表示的led電流，而y軸則為以mcd表示的led亮度。如圖1所示，在未進(jìn)行點(diǎn)校正前，所測得的面板中每個(gè)led之間的亮度差可高達±10%。這樣大的亮度差在高端顯示器中是無(wú)法接受的。直方圖給出了對每個(gè)led進(jìn)行調整或進(jìn)行點(diǎn)校正以產(chǎn)生一致亮度的相應數據。例如，當對滿(mǎn)亮度編程后，ic必須將led1的亮度從83mcd校正為80mcd。tlc5940擁有6位的點(diǎn)校正(即64步)步進(jìn)，對應于每步1.56%的滿(mǎn)量程分辨率。

圖1 點(diǎn)校正前的 led亮度與正向電流直方圖

圖2 點(diǎn)校正后的led亮度與正向電流直方圖

用下式可計算出每個(gè)led的點(diǎn)校正值。

其中dcproduction為生產(chǎn)時(shí)所需的點(diǎn)校正值，lbaseline為所需的亮度水平，而linitial則是在最大電流上測得的亮度。

先將計算得到的點(diǎn)校正值四舍五入為最接近的小數，然后再將原始亮度乘以新的點(diǎn)校正系數，即得到更新后的led亮度值。

在計算并存儲每個(gè)led的點(diǎn)校正數據后，即可將led驅動(dòng)器編程為其最大電流，以使led驅動(dòng)器自動(dòng)調整供給每個(gè)led的電流，這便產(chǎn)生了如圖2所示的直方圖。如果將點(diǎn)校正數據編程至tlc5940芯片的eeprom中，則當面板每次開(kāi)機時(shí)即可加載點(diǎn)校正數據，而且會(huì )一直保留至面板下一次被再校準為止。

對于室內或室外工業(yè)用視頻顯示器，例如廣告牌及大屏幕顯示器等，光有靜態(tài)調整(即校準后保持不變，直到手動(dòng)調整為止)還不夠。這種面板調整是顯示器日常維護程序中的一部分。而新興市場(chǎng)應用則對此提出了更大的挑戰。隨著(zhù)該技術(shù)進(jìn)入到消費電子產(chǎn)品及家庭中，又如何來(lái)控制并調整led隨時(shí)間的改變呢？

盡管這種發(fā)展仍處于初級階段，但現在已有一些顯示器采用了此項技術(shù)。索尼40英寸qualia 005面板及三星46英寸的lnr460d面板，均推出了采用基于led背光的lcd電視。與流行想法相悖的是，這兩種電視顯示器中的二極管并不“白”，而是通過(guò)控制及混合rgb led來(lái)產(chǎn)生“可調的”白光。與傳統燈泡相比，led背光擁有很多優(yōu)勢：更高的功率效率、更少的運動(dòng)畫(huà)面拖影、更寬的色彩頻譜(在某些情況下大于105% ntsc)、更長(cháng)的使用壽命及可調的色溫等，其畫(huà)面質(zhì)量非常高。盡管在亮度變化方面電視機工程師遇到了和傳統面板制造者一樣的挑戰，他們還必須著(zhù)重考慮溫度變化問(wèn)題，因為電視背光應用對led亮度隨溫度變化的改變很敏感。此外，電視機僅當其背光性質(zhì)被調整為滿(mǎn)足每位消費者起居室各不相同的環(huán)境照明條件時(shí)，才能達到其最佳顯示質(zhì)量。再加上消費應用的特點(diǎn)，便向人們提出了對動(dòng)態(tài)亮度調整的需求。

為創(chuàng )造這種動(dòng)態(tài)調整環(huán)路，需要使用幾個(gè)測量led溫度及亮度變化的內部傳感器，以及測量環(huán)境條件改變的外部傳感器。以其最基本的形式，控制環(huán)路以這些傳感器采集數據，并將這些數據輸入至處理器中開(kāi)始，然后處理器再對這些數據進(jìn)行評估，并向tlc5940等led驅動(dòng)器芯片提供智能校正功能。此外，處理器還通過(guò)結合原始工廠(chǎng)校準點(diǎn)校正值與新的動(dòng)態(tài)數據來(lái)產(chǎn)生更新后的點(diǎn)校正數據。

還用前面的示例，假如環(huán)境亮度表測得僅需70%的滿(mǎn)亮度或56mcd的環(huán)境照明條件，則處理器會(huì )算出新的44.8的環(huán)境光點(diǎn)校正值。如果由于溫度上升而使led亮度下降10%，則處理器會(huì )計算71.1的溫度點(diǎn)校正值。結合所有這三種點(diǎn)校正值來(lái)產(chǎn)生新的點(diǎn)校正數據，即可對這三種亮度變化進(jìn)行補償。

從上可見(jiàn)，運用48的組合點(diǎn)校正值即可得到56mcd的期望亮度。請注意，由于溫度引起亮度下降，故本計算中的起始電流被設置為起始生產(chǎn)電流的90%。

只有可提供并能組合運用動(dòng)、靜態(tài)點(diǎn)校正方法的高級led驅動(dòng)器，才能提供針對消費者特定觀(guān)看條件的最佳背光解決方案。在由索尼及三星提供的原型電視機中，led采用串聯(lián)方式減少控制單個(gè)led的所需資源。要設計對背光顯示單元的全動(dòng)態(tài)控制，需對單個(gè)led進(jìn)行控制。因此，led廠(chǎng)商目前正在開(kāi)發(fā)可實(shí)現更靈活陣列配置的先進(jìn)技術(shù)。

用于電視機的智能背光，是下一項將應用到家庭的創(chuàng )新技術(shù)，將使電視機的畫(huà)面質(zhì)量大幅度提高，改善人們在使用中的視覺(jué)體驗。