提升屏幕影像畫質(zhì) LED調(diào)光技術(shù)關(guān)鍵至極

視訊廣告板、超大屏幕等需要電源供應(yīng)、視訊編碼器、譯碼器、線路驅(qū)動(dòng)器、數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)等大量小型子系統(tǒng)共同運(yùn)作，才能提供視訊影像，卻鮮少人洞悉顯示系統(tǒng)中發(fā)光二極管(LED)驅(qū)動(dòng)器的功能。

如果仔細(xì)觀看視訊屏幕，會(huì)發(fā)現(xiàn)其中有數(shù)百個(gè)視訊面板，再更靠近一點(diǎn)，會(huì)發(fā)現(xiàn)各個(gè)面板有縱橫各十六條畫素，每個(gè)畫素由三個(gè)LED所組成，分別是紅色、綠色、藍(lán)色。各個(gè)LED的陽極都連接到LED驅(qū)動(dòng)器的輸出，這些成千上萬的LED驅(qū)動(dòng)器透過數(shù)十萬個(gè)LED控制正向電流，才產(chǎn)生出視訊影像。

電子設(shè)計(jì)人員的挑戰(zhàn)在于如何使用LED驅(qū)動(dòng)器有效控制LED電流，大多數(shù)高階LED驅(qū)動(dòng)器能藉由多種方法控制系統(tǒng)中的電流，許多驅(qū)動(dòng)器具有可調(diào)整LED亮度的功能，例如點(diǎn)修正(DC)、脈沖寬度調(diào)變(PWM)調(diào)光及全局亮度控制(BC)。雖然這些功能可發(fā)揮相同的基本效用，也就是調(diào)整LED亮度，不過各自原有的用途皆不相同，只有了解如何適當(dāng)使用這些功能，才能提供最佳畫質(zhì)的視訊。

模擬/PWM調(diào)光　降低LED亮度

了解LED驅(qū)動(dòng)器的進(jìn)階功能之前，必須先了解兩種降低LED亮度的方法，分別是模擬調(diào)光和PWM調(diào)光。模擬調(diào)光是指改變通過LED的正向電流，若以一半的電流驅(qū)動(dòng)LED，其亮度也隨之減半。雖然無法確實(shí)達(dá)到1：1的比例，LED亮度和正向電流大致呈現(xiàn)線性關(guān)系。

PWM調(diào)光是指藉由開啟及關(guān)閉電流，以變更電流的脈沖寬度，而非振幅。LED亮度可透過開啟LED的時(shí)間百分比或負(fù)載周期加以控制。肉眼只能感受到大約60Hz以下的頻率響應(yīng)，若以高于60Hz的速率開啟及關(guān)閉LED，肉眼只能感受到平均的LED亮度。大部分的顯示器都采用100Hz以上的PWM調(diào)光。對(duì)于固定PWM調(diào)光頻率，負(fù)載周期減少會(huì)導(dǎo)致LED亮度降低。圖1顯示將20毫安(mA)LED調(diào)光至25%亮度時(shí)，模擬調(diào)光及PWM調(diào)光兩者的比較，這兩個(gè)LED的亮度都相同。

圖1 模擬調(diào)光與PWM調(diào)光

點(diǎn)修正改變發(fā)光強(qiáng)度/頻譜

LED制造處理容差相當(dāng)不易控制，對(duì)于高質(zhì)量顯示器而言，兩個(gè)主要的LED特性是發(fā)光強(qiáng)度和頻譜純度。不過，不同LED所呈現(xiàn)的特性差異極大，即使是相同的LED制造批次也是如此。在理想的情況下，處理器運(yùn)用LED驅(qū)動(dòng)器以相同電流開啟所有紅色LED時(shí)，可達(dá)到相同的亮度。然而事實(shí)上，以相同電流驅(qū)動(dòng)LED，亮度會(huì)有極大的差異。市面上一般的LED零件以相同的正向電流驅(qū)動(dòng)時(shí)，會(huì)呈現(xiàn)2：1的亮度差異。

如果不處理如此差異，LED面板會(huì)有極不佳的畫素間亮度匹配，而點(diǎn)修正可有效處理發(fā)光強(qiáng)度的差異。點(diǎn)修正是指將LED顯示器中各畫素或點(diǎn)的密度加以修正或正?；?。調(diào)整通過個(gè)別LED的模擬電流即可達(dá)到如此的效果。面板制造完成后，必須在原廠進(jìn)行第一次點(diǎn)修正。測(cè)試設(shè)備可測(cè)量LED密度，并產(chǎn)生設(shè)定于IC之上的點(diǎn)修正系數(shù)，以調(diào)整LED亮度。

一般LED驅(qū)動(dòng)器可針對(duì)單一電阻的各個(gè)輸出設(shè)定LED電流上限。點(diǎn)修正使用模擬調(diào)光，將電流調(diào)整為電流上限的百分比程度。點(diǎn)修正所調(diào)整的位計(jì)數(shù)愈多，最終的LED亮度愈一致。6位點(diǎn)修正可提供從0毫安到Rset電阻定義電流上限的六十四種不同電流層級(jí)，能逐步以1.59%的比例調(diào)整正向電流;7位點(diǎn)修正能逐步以0.79%的比例調(diào)整正向電流。圖2顯示量產(chǎn)面板經(jīng)過點(diǎn)修正前后的亮度。

圖2 點(diǎn)修正前后的LED亮度

進(jìn)行點(diǎn)修正前，所有LED都有相同的正向電流，因此造成2：1的亮度差異。進(jìn)行點(diǎn)修正后，LED驅(qū)動(dòng)器能以不同的電流驅(qū)動(dòng)所有LED，使LED達(dá)到相同的亮度。值得注意的是，點(diǎn)修正必須能將亮度調(diào)整為低于面板中最暗LED的值。在許多面板合并為大型顯示器的生產(chǎn)環(huán)境中，必須將所有LED的亮度設(shè)定為等于或低于系統(tǒng)中最暗LED的亮度，因此LED的數(shù)據(jù)表應(yīng)該提供指定的亮度范圍下限。

點(diǎn)修正也可用來調(diào)整整個(gè)顯示器的亮度。在正午陽光充足的戶外可使用全亮度，不過相同的亮度對(duì)于夜間或室內(nèi)就顯得亮度過高。將所有點(diǎn)修正值降低至先前值的百分比程度，也可降低整體面板亮度。如果系統(tǒng)使用點(diǎn)修正的IC，但不運(yùn)用點(diǎn)修正功能，則將所有點(diǎn)修正值設(shè)定為上限值的一半，即可達(dá)到50%的亮度。對(duì)于經(jīng)過7位點(diǎn)修正的LED驅(qū)動(dòng)器，將所有點(diǎn)修正值從一百二十七降低至六十三，即可達(dá)到50%的亮度。以下等式可設(shè)定使用點(diǎn)修正時(shí)LED的正向電流：

其中Imax是Rset設(shè)定的輸出電流上限，DCx是輸出x的點(diǎn)修正值，n是點(diǎn)修正的位數(shù)。對(duì)于以上范例，Imax等于40毫安，DC等于六十三，所有LED電流即設(shè)定為40毫安×63/127=19.84毫安。

如果系統(tǒng)已使用點(diǎn)修正功能達(dá)到一致的面板亮度，仍可使用點(diǎn)修正進(jìn)行調(diào)光。將點(diǎn)修正值設(shè)定為原始值的一半，可達(dá)到50%的調(diào)光效果。以7位點(diǎn)修正LED驅(qū)動(dòng)器為例，如果LED需要一百零八的點(diǎn)修正值，將電流設(shè)定為一致面板亮度所需的正確值，則將新的點(diǎn)修正值設(shè)定為54，即可調(diào)整為50%的亮度。

使用點(diǎn)修正調(diào)光點(diǎn)修正面板亮度的缺點(diǎn)是，亮度匹配的可用位有效數(shù)目會(huì)減少。

亮度控制精準(zhǔn)匹配亮度

為了維持確實(shí)的亮度匹配，同時(shí)達(dá)到整體面板的調(diào)光，高階LED驅(qū)動(dòng)器提供BC的個(gè)別緩存器，以達(dá)到整體面板調(diào)光之外的個(gè)別點(diǎn)修正效用。和點(diǎn)修正一樣，亮度控制也是透過模擬調(diào)光進(jìn)行。這兩者的差異在于，點(diǎn)修正可調(diào)整個(gè)別的LED，而亮度控制可同時(shí)調(diào)整多個(gè)LED。點(diǎn)修正及亮度控制緩存器的數(shù)目及配置均與IC有關(guān)。

舉例來說，驅(qū)動(dòng)八顆LED為一組的三個(gè)LED組所用的二十四信道LED驅(qū)動(dòng)器包含二十四個(gè)點(diǎn)修正緩存器(每一個(gè)各用于個(gè)別 LED)，其中包含三個(gè)亮度控制緩存器，每一個(gè)各用于個(gè)別LED組。另外還有十六個(gè)輸出LED驅(qū)動(dòng)器可驅(qū)動(dòng)十六個(gè)相同色彩的LED，其中包含十六個(gè)內(nèi)部點(diǎn)修正緩存器，并包含一個(gè)亮度控制器緩存器，可同時(shí)調(diào)整所有十六個(gè)輸出。區(qū)別點(diǎn)修正及亮度控制的功能有助于精準(zhǔn)控制LED亮度匹配，同時(shí)可進(jìn)行整體面板的調(diào)光。在包含點(diǎn)修正及亮度控制的IC中，LED電流是由兩種緩存器的值共同定義： 其中Imax是Rset設(shè)定的輸出電流上限，DCx是輸出x的點(diǎn)修正值，n是點(diǎn)修正的位數(shù)，BC是全局亮度值，m是亮度修正的位數(shù)。