系統級方法優化LED背光設計

文章來源:恒光電器

發布時間:2014-10-16

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 在LCD電視業界，LED正快速成為背光技術的選擇，同時它也正在不斷進入更大尺寸屏幕的領域。LED尺寸小，CE認證，功耗低，顯示性能也好，所以在它即將成為所有LCD產品的主流背光源，這點基本上沒有什么疑問。但是，系統設計師們必須知道如何對LED背光設計進行優化，只有那樣才能在市場中獲勝，這個市場的競爭將是很激烈的。

在開發下一代基于LED的平板電視時，LCD電視系統設計師們面臨著眾多選擇。他們必須選擇使用直下式還是側光式LED背光結構，還要從多種調光技術、功率管理方法以及熱保LED正在快速成為大型顯示屏的主流背光源，但設計師們還需要解決熱量管理、功率管理、亮度調節以及其他問題，這樣才能設計出性能優化的系統。Xiaoping Jin和Arkadiy Peker如是分析。

在LCD電視業界，LED正快速成為背光技術的選擇，同時它也正在不斷進入更大尺寸屏幕的領域。LED尺寸小，功耗低，顯示性能也好，恒光電器，所以在它即將成為所有LCD產品的主流背光源，這點基本上沒有什么疑問。但是，系統設計師們必須知道如何對LED背光設計進行優化，照明資質，只有那樣才能在市場中獲勝，家用照明，這個市場的競爭將是很激烈的。

在開發下一代基于LED的平板電視時，LCD電視系統設計師們面臨著眾多選擇。他們必須選擇使用直下式還是側光式LED背光結構，LED燈管，還要從多種調光技術、功率管理方法以及熱保護技術中加以甄別。他們要關注如何實現精確又穩定的色彩管圖l理，以及如何更好地將LED背光控制和視頻處理器進行同步，廠房照明，以便實現Dl、D2和D3背光尋址技術。還有，設計師們還必須選出最佳的LED背光設置圖形用戶接口(GUI)。

隨著TV面板尺寸越來越大，分辨率越來越高，這些決策也變得越來越重要了。隨著TV面板全面轉向1080p分辨率，并且顯示面積不斷增加，TV背光單元(BLU)在圖像顯示質量中所扮演的角色也更加重要了。

在為大型LCD TV設計下一代LED的BLU時，有幾個關鍵因素必須考慮。比如，在每個邊以及從中心到邊角之間的照明度必須一致，還要在實現高動態范圍對比度和更深的黑度之間取得平衡。色域也很重要，必須達到或超過NTSC的要求。視頻品質則必須滿足所有動態影像反應時間(MPRT)的必需要求，同時為了降低能耗，照明效率也應當較高。

為了達到滿意的圖像品質，TV面板生產商有一些選項，包括側光式(DO)，或者為了提升效率采用掃描調光(D1)或者本地或區域調光(D2)。通過使用RGB LED BLU以實現D3，也即針對紅、綠、藍三種LED的亮度進行獨立的本地或區域調光，才能獲得最佳的圖像質量。

除了圖像品質以外，尚有很多和前述每種BLU設計相關的成本或實現的問題。側光式和直下式LEDBLU都有不同的要求，這又會影響到系統級能耗效率，并且對功率系統結構的設計產生影響。

設計師必須選用最佳的LED串驅動模塊，當然，照明控制系統的選擇也很重要，它可以在很寬的輸入電壓和工作溫度范圍內對LED電流進行精確地控制，同時還能提供足夠的熱保護。同樣，節能與環保，在RGB-LED的BLU實現過程中， led商業照明，CCC認證，還應具備精確的色彩管理;BLU與系統視頻處理器的同步是為了實現BLU尋址機制(包括DO、Dl、D2以及D3亮度調節方案)。

通常，基于LED的BLU總是含有多個白光或紅、綠、藍光的LED串。BLU還會集成照明控制，以及一個帶有視頻處理接口的控制器，LED天花燈，利于亮度調節。另外，BLU還會帶有周邊環境光感應器(用于W-LED BLU)或者RGB光感應器(用于RGB-LED BLU)，并外帶診斷功能。

BLU上集成的功率模塊，帶有一個或多個功率供應單元(PSU)，外加熱量管理功能和通向BLU照明控制以及管理模塊的接口。最后的元件是LED驅動器和相應的保護機制。對于BLU功率系統來說，設計的基本需求是成本低、尺寸小、效率高，所有這些都會受到亮度調節功能實現方案的影響。舉例來說，一個使用DO亮度調節的側光式BLU會要求有數量多但尺寸很小的PSU，而直下式則用D2本地或區域調光的BLU就能接受數量較少且尺寸較大、較高的PSU。

要想理解亮度調節功能對PSU設計的影響，搞清楚LED的工作原理是首要的。LED是一種電流驅動型器件，道路照明，它的輸出亮度與輸入電流直接成正比，電流又是通過恒定直流電源輸出，以保持穩定的發光亮度。恒流源同LED正向電壓(VF)保持獨立，恒光電器,照亮您的生活，即使溫度變化也是如此。

圖1是一個RGB-LED BLU， led質量，其中RGB-LED陣列是由一個恒壓源(PS)驅動的，該恒壓源采用一個獨立的電流源進行控制。對于W-LED串來說，把每個彩色的LED換成白色LED就可以了。

圖1所示的RGB-LED BLU在實現起來功率效率上會出現折衷。PSU的必須能夠支持LED陣列或LED串(最大的VF總值)。因為不同色彩的LED之間甚至相同色彩的LED之間VF會存在差異，這將引起過度的能量消耗。這些差異通常是由LED制造工藝的變化而引起的。就拿飛利浦Lumileds的紅光Luxeon LED舉個例子，它的典型VF壓降是2.95V,而綠光LED的典型VF壓降是3.99V。

因此，PSU的最大電壓就應該是39.9V，這對紅光LED陣列來說會引起過量的能量消耗，其消耗量Pd=(39.9V-29.5V)×0.35A= 3.64W.

為了提升能量效率，系統設計師可以為每個R/G/B陣列設計一個單獨的DC/DC轉換器，并且可以通過調節流經LED串的電流感應電阻上的電壓值，把它轉變成為一個恒流源。這個方法相對比較昂貴，但它具有更高的能源效率，同時還可以用于W-LED方案，只需把其中的彩色LED替換成白光LED即可。

熱量管理是設計中要考慮的重要問題。LED BLU必須能夠對LED產生的熱量參數進行管理。隨著溫度的上升，這個參數的存在會減少發光量。如果PWM的做功周期的增長速度要比LED的VF下降得更快，就會讓LED背光系統進入發熱失控的狀態。發光控制和管理模塊必須對LED的溫度進行測量，如果這個溫度超過某個預設值，應減少所有RGB PWM信號的做功周期，以此避免LED熱量失控，從而避免LED BLU和顯示器的毀壞。

色彩管理也很重要。對W-LEDBLU來說，只需要一個顯示亮度感應器來維持整體的亮度，但RGB-LEDBLU系統就需要更復雜的RGB感應器以及閉合的色彩環來管理預設值或者是用戶設定的白點。通過應用先進的亮度調節技術，比如Dl掃描調光、D2本地或區域調光以及D3基于RGB的區域或本地調光，就可以得到最佳的圖像品質（圖2）。