LED電視高效無屏閃分段式調(diào)光技術(shù)的應(yīng)用

　　胡向峰（創(chuàng)維集團 TV產(chǎn)品研究院，廣東 深圳 518108）

　　摘 要：LED液晶電視普遍采用PWM調(diào)光方式，圖像以一定的頻率亮暗變化。電視在播放畫面的過程中，LED背光源的亮滅導(dǎo)致畫面出現(xiàn)閃爍或不規(guī)則閃動，使用者一般不會察覺。為了讓LED屏在正常收看時不會出現(xiàn)閃爍，使液晶電視呈現(xiàn)清晰穩(wěn)定的圖像，進而有效保護眼睛，以便體驗最舒適的視覺感受，基于此，提出一種無屏閃護眼健康電視的背光控制方式，即高效無屏閃分段調(diào)光技術(shù)，有效地解決了單一使用模擬調(diào)光或PWM各自所帶來的問題，同時該技術(shù)有利于提高整機調(diào)光時的能效，節(jié)能省電。

　　關(guān)鍵詞：LED電視；高效；無屏閃；分段式調(diào)光

　　0 引言

　　目前，LED電視及其他液晶顯示設(shè)備的模組背光驅(qū)動芯片主要采用兩種調(diào)光方式：模擬調(diào)光（analogdimming）和PWM調(diào)光。

　　模擬調(diào)光控制的電壓范圍一般較小，導(dǎo)致其控制的燈條電流調(diào)節(jié)范圍較小，隨著實際應(yīng)用中燈條電流的不斷增大，模組背光在模擬調(diào)光達到最小電平時，模組燈條仍然電流較大，背光亮度依然較高，很難滿足模組由亮到暗的全范圍控制。PWM調(diào)光是目前普遍采用的一種調(diào)光方式，廣泛應(yīng)用于LED電視領(lǐng)域和其他大尺寸顯示設(shè)備。在模組亮度控制時，通過調(diào)節(jié)PWM占空比，模組背光在由暗到亮控制的全范圍內(nèi)能實現(xiàn)較好調(diào)節(jié)，但是，PWM調(diào)光會存在與屏體玻璃畫面匹配時的滾動干擾、模組光效低以及恒流電感調(diào)光時噪音大等問題。

　　基于模擬調(diào)光和PWM調(diào)光各自的特點，本文提出了采用一種模擬調(diào)光和PWM調(diào)光相結(jié)合的高效無屏閃分段調(diào)光控制技術(shù)。

　　1 LED屏閃產(chǎn)生的原因

　　目前，LED TV普遍采用PWM調(diào)光技術(shù)，如圖1所示。由主板發(fā)出的PWM調(diào)光信號以100 Hz~15 kHz的頻率控制LED背光模組燈條的開通和關(guān)斷。當(dāng)PWM為高電平時，模組背光燈條導(dǎo)通，LED燈條發(fā)光；當(dāng)PWM為低電平時，模組背光燈條截止，LED燈條關(guān)斷不亮。即在LED TV有背光調(diào)節(jié)時，模組燈條始終以固定的頻率在亮暗變化，這就是LED TV屏閃產(chǎn)生的根本原因。

　　當(dāng)LED TV播放正常畫面，但特別地在藍屏情況下，當(dāng)Vsync頻率和LED調(diào)光PWM頻率不匹配時，易造成畫面滾動條干擾。原理如圖2所示。

　　當(dāng)PWM調(diào)光頻率和Vsync不同步時，傳輸?shù)牡?幀畫面和第2幀畫面亮暗錯位，引起整個圖像畫面出現(xiàn)類似的滾動干擾。

　　當(dāng)采用模擬電平信號來調(diào)光時，如圖3所示，雖然可以解決LED TV的屏閃問題，但是由于模擬調(diào)光信號是由調(diào)光電平來控制，調(diào)光電平和恒流芯片的匹配設(shè)計很難做到屏體從暗到亮的全范圍調(diào)整，因此，在LEDTV中很少使用。

　　2 高效無屏閃分段調(diào)光技術(shù)工作

　　原理為了解決PWM調(diào)光引起的LED TV屏閃及畫面滾動條干擾，結(jié)合PWM調(diào)光和模擬調(diào)光的各自特點，提出一種分段調(diào)光技術(shù)，實現(xiàn)LED TV的全范圍調(diào)光、消除屏體的滾動條干擾，同時消除屏閃。

　　2.1 分段調(diào)光技術(shù)原理

　　從主板送過來的PWM信號經(jīng)調(diào)光控制單元轉(zhuǎn)化為直流電壓V_LPF，如圖4所示。當(dāng)PWM輸入100% ~D% /C% / B% /A%，IC設(shè)計工作在模擬調(diào)光狀態(tài)。在模擬調(diào)光下，調(diào)光的最大占空比是100%。此時，模擬調(diào)光的ISEN調(diào)節(jié)電壓是V_ADJ（V_LPF×1/H）。當(dāng)PWM輸入占空比小于D% / C% / B% /A%時，調(diào)光占空比從100%開始，隨著PWM占空比的降低而減小。ISEN的調(diào)節(jié)電壓對應(yīng)IC從模擬調(diào)光進入到PWM調(diào)光時的V_ADJ。具體控制說明如下。

　　APC腳電壓通過內(nèi)部的參考電壓V_REF經(jīng)分壓電阻R1和R2分壓得到，經(jīng)內(nèi)部的比較器陣列后與調(diào)光控制單元進行算法控制，得到不同的APC電壓，對應(yīng)不同的外部輸入PWM信號占空比。

　　當(dāng)U_APC電壓小于a伏時，恒流芯片的PWM占空比小于A%時為PWM調(diào)光狀態(tài)，大于A%以上為模擬調(diào)光狀態(tài)，即，U_APC< a時，D_PWA< A%為PWM調(diào)光，D_PWA＞A%為模擬調(diào)光；

　　當(dāng)U_APC電壓大于a伏且小于b伏時，恒流芯片的PWM占空比小于B%時為PWM調(diào)光狀態(tài)，大于B%以上為模擬調(diào)光狀態(tài)，即a<U_APC< b時，D_PWA< B%為PWM調(diào)光，D_PWA＞B%為模擬調(diào)光；

　　當(dāng)U_APC電壓大于b伏且小于c伏時，恒流芯片的PWM占空比小于C%時為PWM調(diào)光狀態(tài)，大于C%以上為模擬調(diào)光狀態(tài)，即，b<U_APC< c時，D_PWA<C%為PWM調(diào)光，D_PWA＞C%為模擬調(diào)光；

　　當(dāng)U_APC電壓大于c伏時，恒流芯片的PWM占空比小于D%時為PWM調(diào)光狀態(tài)，大于D%以上為模擬調(diào)光狀態(tài)，即，U_APC＞c時，D_PWA< D%為PWM調(diào)光，D_PWA＞D%為模擬調(diào)光。

　　2.2 PWM調(diào)光兼容設(shè)計

　　PWM調(diào)光頻率兼容100 Hz~15 kHz，并變頻為24 kHz調(diào)光控制，這樣可兼容不同主板調(diào)光頻率，適應(yīng)性更為廣泛，如圖5所示。

　　調(diào)光頻率設(shè)計在24 kHz目的：

　?、僭赑WM調(diào)光分段區(qū)，可解決畫面滾動條干擾，從而保證全調(diào)光范圍內(nèi)無畫面滾動條干擾。

　?、谠赑WM調(diào)光分段區(qū)，可解決升壓電感的噪音問題，從而保證全調(diào)光范圍內(nèi)降低噪音。

　　2.3 高效無屏閃分段調(diào)光技術(shù)效果分析

　　我們以75 W整機為例，采用傳統(tǒng)PWM調(diào)光和分段調(diào)光技術(shù)后，測試對比分析如下。

　　1）亮度線性度分析

　　經(jīng)對比測試PWM調(diào)光與分段調(diào)光的模組亮度，具體測試數(shù)據(jù)如表1和圖6。

　　由此可見，采用分段調(diào)光技術(shù)后，在同等占空PWM占空比條件下，模組亮度比PWM調(diào)光技術(shù)亮度偏高，且調(diào)光全范圍內(nèi)，亮度線性度較好。

　　2）整機效率分析（模組光效）

　　采用分段調(diào)光方式，可提高模組燈條的光效，從而提高整機效率。具體測試數(shù)據(jù)如表2和圖7所示（220 V輸入）。

　　從上述整機功率的對比表和曲線可以看出，采用分段調(diào)光方式后，有利于整機效率的提高，如在整機260 cd/m²時，整機效率可提高約5.1%。

　　3）電感噪音

　　采用分段調(diào)光技術(shù)可有效解決背光BOOST電路中升壓電感的噪音問題。目前普遍采用PWM調(diào)光方式實現(xiàn)寬范圍內(nèi)的燈條電流控制，但當(dāng)BOOST電路采用低成本的柱狀繞線電感時，PWM調(diào)光時產(chǎn)生電感的噪音問題，主要因為在調(diào)光MOS管開通瞬間，造成電感電流產(chǎn)生較大的電流尖峰，引起電感噪音。采用此技術(shù)可保持電感電流穩(wěn)定無尖峰，從而大大降低調(diào)光過程中電感噪音。圖8為兩種調(diào)光方式的電感電流波形。

　　4）燈條電流應(yīng)力分析

　　因使用PWM調(diào)光方式，在調(diào)光MOS開通瞬間，因屏體燈條寄生參數(shù)的影響，會產(chǎn)生過沖尖峰電流，如圖9(a)所示。當(dāng)屏體尺寸較大，燈條電壓較高時，產(chǎn)生的尖峰電流較大，該尖峰電流會影響燈條的使用規(guī)格和降額要求。采用分段調(diào)光方式后，可降低該尖峰電流，利于燈珠選型及降成本，測試波形如圖9(b)所示，燈條峰值電流約620 mA用混合調(diào)光后，峰值電流降低約100 mA，電流峰值降幅約16%。

　　5）EMC測試分析

　　采用分段可調(diào)混合調(diào)光技術(shù)后，由于升壓電感電流波形為平滑的三角波電流，沒有調(diào)光瞬間的電流尖峰，如圖10(a)和圖10(b)所示，即di/dt變化小，輻射相對較小，可改善產(chǎn)品的EMC測試。

　　3 總結(jié)

　　本文提出一種在不改變主板輸出調(diào)光頻率條件下，通過恒流方案的設(shè)計來實現(xiàn)模擬調(diào)光和PWM調(diào)光相結(jié)合的分段調(diào)光技術(shù)，利用各自調(diào)光的優(yōu)點實現(xiàn)LED背光模組的調(diào)光全范圍控制。該分段調(diào)光技術(shù)既提高了PWM調(diào)光方式燈條的光效，解決了單一PWM調(diào)光存在調(diào)光電感的噪音問題，又消除了PWM調(diào)光頻率引起和LED玻璃場頻之間的差拍干擾，導(dǎo)致畫面出現(xiàn)滾動干擾問題，同時，可提升LED電視的畫質(zhì)和顯示，降低燈條應(yīng)力、改善恒流部分EMC。此外，該技術(shù)具有消除背光閃爍、防止眼睛疲勞、保持人眼健康等優(yōu)點，具有普遍的應(yīng)用和推廣價值。

　　參考文獻：

　　[1] High Power LED Driver OZ9902E specification[Z].O2Micro International LTD.

　　[2] PRESSMAN A I,BILLINGS K,MOREY T.開關(guān)電源設(shè)計[M],3版.北京:電子工業(yè)出版社,2016.

　　[3] WINDER S.LED驅(qū)動電路設(shè)計[M].謝運祥,王曉剛,譯.北京:人民郵電出版社,2009.

　　[4] 楊恒.開關(guān)電源典型設(shè)計實例精選[M].北京:中國電力出版社,2007.

　　[5] 康華光.電子技術(shù)基礎(chǔ)[M].北京:高等教育出版社,2010.

　　（注：本文來源于科技期刊《電子產(chǎn)品世界》2020年第07期第22頁，歡迎您寫論文時引用，并注明出處。）