液晶顯示屏LED背光源均勻亮度控制

發(fā)光二極管（LED）在各種終端設(shè)備的廣泛應(yīng)用早已讓許多人跌破眼鏡：從汽車頭燈、交通號志、文數(shù)字顯示器、廣告廣告牌、與大型顯示器等現(xiàn)有技術(shù)，到一般大樓照明設(shè)備以及液晶顯示器背光源等其它應(yīng)用，日益盛行的LED光源使得最普遍的產(chǎn)品也要隨之重新設(shè)計。隨著效率和亮度不斷增加以及成本持續(xù)下降，LED終將取代傳統(tǒng)光源成為消費(fèi)性應(yīng)用的主要照明來源。本文將針對液晶顯示器的LED背光源與其它大型顯示器的光源技術(shù)進(jìn)行比較，藉以說明LED應(yīng)用設(shè)計所需面對的挑戰(zhàn)。

像點(diǎn)修正技術(shù)解決LED亮度差異問題

體育館或廣告用的大型看板通常包含數(shù)十組顯示面板與數(shù)千顆LED。在每塊顯示區(qū)內(nèi)，每顆LED（又稱為像素）所發(fā)出的亮度差異也會很大；通常最亮和最暗的LED相差可達(dá)15%至20%以上，這使廠商必須持續(xù)解決品質(zhì)和管理等困難問題。雖然所有LED應(yīng)用都會遇到這類問題，但在動態(tài)視頻顯示等需要均勻亮度的高品質(zhì)應(yīng)用上卻顯得特別嚴(yán)重。制造商大都采取兩種方法來彌補(bǔ)亮度差異，一種方法是向供應(yīng)商購買亮度相近的LED；另一種方法則是采用內(nèi)含「像點(diǎn)修正（dotcorrection）」能的高品質(zhì)LED驅(qū)動元件。

亮度相近的LED有許多優(yōu)點(diǎn)，其價格通常也較高。供應(yīng)商會先測量LED在特定電流下的亮度，然后把亮度相近的紅光、綠光和藍(lán)光LED組合在一起。這種方法可在最不影響設(shè)計的情形下為低階照明系統(tǒng)提供均勻亮度；其缺點(diǎn)則是每顆LED的亮度耗損速度都不同，因此經(jīng)過一段時間后亮度又會變得不均勻。這項缺陷使它僅能做為短期解決方案，否則經(jīng)過一兩年后，畫面又會變成一塊一塊。除此之外，若面板發(fā)生故障而需要更換，新面板與原有面板的亮度也會出現(xiàn)極大差異。

高階顯示器系統(tǒng)對于亮度匹配的要求更為嚴(yán)苛，單靠采用亮度相近的LED并無法滿足這類應(yīng)用的要求。因此為了讓像素和面板在顯示器壽命L期內(nèi)都能維持均勻亮度，制造商會選用內(nèi)建像點(diǎn)修正功能的先進(jìn)LED驅(qū)動元件。像點(diǎn)修正是藉由調(diào)整個別LED電流來管理像素亮點(diǎn)的一種方法：處理器只需控制送到整塊LED顯示區(qū)的總電流，再由LED驅(qū)動元件調(diào)整個別LED電流來產(chǎn)生均勻亮度；這表示處理器可將其運(yùn)算效能用于其它工作，而不需為了均勻亮度而查詢表格或在每個更新L期針對每顆LED進(jìn)行復(fù)雜的乘法運(yùn)算。為了提供像點(diǎn)修正功能，制造商會透過畫面擷取測量每顆LED的亮度，再將系統(tǒng)最暗的LED指定為基準(zhǔn)LED，然后將其它像素的亮度調(diào)整成和基準(zhǔn)LED相同；調(diào)整方式則是根據(jù)LED輸出亮度將每個像素的電流減少一定比例。德州儀器（TI）的TLC5940或其它類似元件都會將每顆LED的像點(diǎn)修正值儲存在晶片內(nèi)建的EEPROM記憶體，或是在每個更新L期當(dāng)中做動態(tài)修改。這種雙重像點(diǎn)修正方式很有彈性，它既能在外界照明條件改變時更新整個面板的亮度，又能提供長期保存像點(diǎn)修正資訊以確保面板亮度均勻。只要像素亮度隨時間出現(xiàn)變化，或是面板因?yàn)楣收隙枰{(diào)整和更換，工程人員隨時都能更新EEPROM資料。我們將用下列例子來說明這種做法。

實(shí)際操作案例

為簡單起見，此處只考慮同一種顏色的16顆LED，它們來自于多組面板和數(shù)千顆LED所組成的大型顯示系統(tǒng)。我們假設(shè)綠色像素的綠光LED必須發(fā)出80毫燭光才能達(dá)到面板對于綠色像素的亮度要求。設(shè)計人員選擇的LED則為OsramLPE675，它在50mA標(biāo)準(zhǔn)電流下的亮度可分為45-56、56-71、71-90以及90-112毫燭光等四個等級；這表示只要選擇亮度最高的一組LED，就能確保每顆亮度至少能達(dá)到80毫燭光。TLC5940之類的元件最多能驅(qū)動16顆LED，每顆元件只需要一顆電阻來設(shè)定最大電流值。選擇此電阻時應(yīng)確保其設(shè)定之電流足以讓最暗的LED發(fā)出80毫燭光，LPE675元件資料表顯示它需要43mA的驅(qū)動電流才能發(fā)出80毫燭光。設(shè)計人員可在安裝時先測量LED在43mA滿電流時所發(fā)出的亮度，然后產(chǎn)生類似圖1的亮度直方圖。圖中第一排資料是以mA為單位的LED電流值，第二排則是以毫燭光為單位的LED亮度值。從圖中可看出LED亮度在未采用像點(diǎn)修正功能時最多相差±10%，這種差異程度是高階顯示器無法接受的。驅(qū)動元件可以根據(jù)直方圖所示資料個別調(diào)整、或是「像素修正」每顆LED的電流，使它們最后得以產(chǎn)生均勻亮度；例如它必須將滿電流下的LED1亮度從83毫燭光調(diào)整至80毫燭光。TLC5940提供6位元（64階）像點(diǎn)修正功能，其中每一階都相當(dāng)于滿刻度的1.56%。

下列公式可用來計算每顆LED的像點(diǎn)修正值：

其中DCproduction是產(chǎn)品制造時所使用的像點(diǎn)修正值，Lbaseline是所要求的亮度，Linitial則是最大電流下所產(chǎn)生的亮度量測值。

圖1：像點(diǎn)修正前的LED亮度和順向電流直方圖

將計算所得的像點(diǎn)修正值四撾迦氳階罱詠的分?jǐn)?shù)值，再將它乘上原始亮度，即可得到新的LED亮度值。

計算和儲存每顆LED的像點(diǎn)修正資料后，再將LED驅(qū)動元件設(shè)定為最大電流，以便單獨(dú)調(diào)整每顆LED的電流，如圖2的直方圖所示。只要將像點(diǎn)修正資料存入TLC5940晶片內(nèi)建的EEPROM記憶體，系統(tǒng)就能在每次開機(jī)時取出這些像點(diǎn)修正資料，直到下一次重新校準(zhǔn)為止。

圖2：像點(diǎn)修正后的LED亮度和順向電流直方圖

動態(tài)亮度調(diào)整成為LED背光源TV必備功能

廣告看板、或大型顯示器等室內(nèi)/室外工業(yè)用顯示器只需「靜態(tài)」調(diào)整就已足夠（校準(zhǔn)值維持固定不變，直到工程人員重新調(diào)整這些校準(zhǔn)值為止)；此時面板亮度的調(diào)整會與系統(tǒng)例行維護(hù)作業(yè)一起進(jìn)行。然而新出現(xiàn)的各種市場應(yīng)用卻需要更先進(jìn)的調(diào)整方法，尤其當(dāng)這項技術(shù)逐漸融入消費(fèi)性產(chǎn)品和家庭生活后，設(shè)計人員必須針對LED亮度隨時間而改變的現(xiàn)象進(jìn)行控制和調(diào)整。

雖然這個轉(zhuǎn)變過程仍在起步階段，其所需的技術(shù)卻已經(jīng)存在。新力（40Qualia005）以及三星（46LNR460D）都已推出采用LED背光源的液晶電視；但它們并非我們想像般使用白光LED，而是將紅光、藍(lán)光和綠光LED組合在一起并進(jìn)行控制，以產(chǎn)生亮度可調(diào)整的白色光源。LED背光源有許多勝過傳統(tǒng)燈泡的優(yōu)點(diǎn)，像是電源效率更高、移動畫面殘影更少、色譜范圍更廣（某些場合大于105%NTSC)、壽命更長、以及色溫可調(diào)整等；其畫質(zhì)更是傳統(tǒng)光源無法比擬。另一方面，裼LED背光源的電視工程師不僅會面臨傳統(tǒng)面板制造商所遇到的亮度差異困擾，更會遇到溫度帶來的挑戰(zhàn)；這是因?yàn)長ED亮度隨溫度改變的特性會對電視背光應(yīng)用造成極大影響。另外，這類電視若要提供最佳畫質(zhì)，就必須針對消費(fèi)者家里不斷變動的照明狀況調(diào)整背光源的各項屬性。這些技術(shù)考量，加上電視是一種消費(fèi)應(yīng)用的事實(shí)，讓動態(tài)亮度調(diào)整成為LED背光源不可或缺的功能。