使用多色LED補色的背光源

摘 要：采用白色LED燈作為主要光源、橙色燈和藍色燈作為補色光源設(shè)計了背光源系統(tǒng)。用線性擬合的方法得到亮度不同情況下3種燈的PWM 波形高電平持續(xù)時間的比例關(guān)系。根據(jù)該關(guān)系進行調(diào)光，可以得到色溫在6 500±100K以內(nèi)，色坐標(biāo)u′在0。198±0。01以內(nèi)，v′在0。468±0。01以內(nèi)的標(biāo)準(zhǔn)白色光。在溫度變化時，根據(jù)顏色傳感器TCS230數(shù)據(jù)微調(diào)橙燈和藍燈的PWM 高電平時間，維持紅、綠和藍3顏色通道輸出的脈沖個數(shù)比例關(guān)系恒定則顏色不變。

1 引 言

隨著LED技術(shù)的成熟，各種顏色的LED紛紛研發(fā)出來，同時成本也在大幅下降。輸出電流在300mA以上的LED驅(qū)動電路常見的有電感式開關(guān)電源和線性電源驅(qū)動方式，也有用開關(guān)電源和線性電源聯(lián)合驅(qū)動的方式。線性電源驅(qū)動電路中幾乎沒有地彈和紋波，對電路產(chǎn)生的干擾小，常用在對電磁兼容要求高的場合。

多顏色LED混色補色的背光技術(shù)是當(dāng)前研究的熱點。早在2000年，日本就已生產(chǎn)出多芯片型LED背光產(chǎn)品。隨后，各大公司相繼推出以多芯片型LED為背光的高性能LCD。但具體怎樣混色補色，現(xiàn)在公開的文獻還很少。

雖然紅綠藍3種顏色LED燈混合出的背光色域?qū)?，但存在紅邊現(xiàn)象。本文采用白色LED燈作為主光源，然后用橙燈和藍燈作為補色光源，得到出屏白場色溫在(6 500±100)K 以內(nèi)，色坐標(biāo)u′在0。198±0。01以內(nèi)，v′在0。468±0。01以內(nèi)的標(biāo)準(zhǔn)白色光。

2 補色電路框圖

白燈LED是用藍光激發(fā)$熒光粉而得到白光，由于液晶屏對短波分量的衰減要大于長波分量，故白燈LED發(fā)出的光出屏后顏色偏黃，既需要補藍光，同時也要補紅光。

在流過典型電流20mA的情況下，常溫下橙燈電壓是2V，藍燈電壓是3V，白燈電壓是3V。

3種燈都是8個一串。橙燈在典型電流情況下工作只需要16V左右即可，其驅(qū)動電路線性恒流源效率不到60%，由于橙燈是補色的，故此功率損耗最大不到1W;白燈和藍燈的線性電源效率超過85%。

3種LED燈各用一路線性恒流源驅(qū)動，每路設(shè)置總和電流200mA，保證每串LED燈的電流是其典型電流20mA，如圖1所示。每路線性恒流源獨立采用同頻率的PWM 調(diào)光信號，它們的頻率是固定的，占空時間隨調(diào)光亮度不同而改變。

以FPGA作為控制器，根據(jù)上位機的調(diào)光指令調(diào)整PWM 占空比，從而控制背光亮度;采樣顏色傳感器的數(shù)據(jù)，微調(diào)橙燈和藍燈的PWM 占空比，保證在溫度發(fā)生變化時色溫不變。

圖1 LED橙燈和藍燈補色電路框圖。

3 PWM 調(diào)光與補色

3.1 橙燈和藍燈補色前的準(zhǔn)備工作

圖2為白燈及補色彩燈的PWM 調(diào)光波形圖。應(yīng)保證驅(qū)動電路滿足以下條件：

(1)驅(qū)動電壓應(yīng)該能夠保證LED燈恒流所必需的電壓輸出;(2)驅(qū)動電路的輸出電流應(yīng)該具有導(dǎo)通時間上的一致性，這樣可以做到亮度線性調(diào)節(jié);(3)在晝模式下，白光應(yīng)該逐漸升高，而補色的藍燈和橙燈應(yīng)該按白燈變化比例逐漸增加。

圖2 白燈及補色彩燈的PWM 調(diào)光波形圖。

3.2 在SS-230平板顯示系統(tǒng)綜合分析儀器上混光

圖3為SS-230平板顯示綜合分析系統(tǒng)的照片。實驗時，調(diào)白光從低亮度到高亮度，橙燈和藍燈也按比例逐漸增加，保證色溫在(6 500±30)K，色坐標(biāo)u′=0。198，v′=0。468。記錄從低亮度到高亮度調(diào)光過程中，白燈、橙燈和藍燈的調(diào)光PWM波形高電平持續(xù)時間的數(shù)據(jù)，共記錄40組數(shù)據(jù)。

圖3 SS-230平板顯示綜合分析系統(tǒng)。

3。3 數(shù)據(jù)擬合

根據(jù)記錄的40組數(shù)據(jù)，可以得出在不同亮度情況下3種燈的調(diào)光PWM 高電平時間。下面擬合出3種光的調(diào)光高電平時間與亮度的關(guān)系，見圖4。

圖3中3根不間斷曲線的表達式如下：

圖4 亮度與3種燈的調(diào)光級數(shù)的關(guān)系。

式(1)中，L 是亮度，W 、O 和B 是白燈、橙燈和藍燈PWM 波形高電平時間級數(shù)，調(diào)光周期為500μs，高電平時間級數(shù)是(7FFF)16=(32 767)10級。

如白燈高電平時間級數(shù)是7EE0，則它的調(diào)光PWM 波形中高電平時間是：

3.4 顏色閉環(huán)控制

根據(jù)所得到的擬合曲線，在背光燈溫度恒定并且與做擬合曲線時的背光燈溫度一致的情況下，在全亮度范圍內(nèi)調(diào)光可以得到標(biāo)準(zhǔn)白色光源。但是要保證背光LED燈溫度不變是不可能的，隨著LED燈溫度變化，白燈、橙燈和藍燈的衰減不一樣，色溫會有漂移現(xiàn)象。

記錄顏色傳感器在200個調(diào)光周期，即100ms內(nèi)，紅、綠和藍3顏色分量輸出的脈沖個數(shù)，這些數(shù)據(jù)作為3顏色分量的亮度值。

在溫度變化時，根據(jù)顏色傳感器測量出的紅、綠和藍三色亮度數(shù)據(jù)，微調(diào)橙燈和藍燈的PWM波形高電平時間，使紅、綠和藍三色亮度比值恒定，則色溫保持不變。

4 結(jié) 論

在SS-230平板顯示系統(tǒng)綜合分析儀器上，從低亮度到高亮度變化測量出40個點，調(diào)整3種燈的PWM脈沖高電平時間，得到標(biāo)準(zhǔn)白色光源。然后采用線性擬合的方法得到亮度不同情況下3種燈的PWM波形高電平持續(xù)時間的比例關(guān)系，根據(jù)該關(guān)系調(diào)光可以保證整個亮度范圍內(nèi)背光源是標(biāo)準(zhǔn)白色光。根據(jù)顏色傳感器輸出的紅、綠和藍3顏色通道數(shù)據(jù)，微調(diào)橙燈和藍燈的PWM 高電平時間，維持紅、綠和藍3顏色通道數(shù)據(jù)的比例關(guān)系不變則色溫恒定。采用以上辦法得到出屏白場色溫在(6 500±100)K以內(nèi)，色坐標(biāo)u′在0。198±0。01以內(nèi)，v′在0。468±0。01以內(nèi)的標(biāo)準(zhǔn)白色光。