LED背光分區(qū)調(diào)光在平板電視中的應(yīng)用

摘?要：國(guó)家發(fā)改委和工信部在2016年5月18日發(fā)布的《關(guān)于實(shí)施制造業(yè)升級(jí)改造重大工程包的通知》中指出，新型平板顯示工程領(lǐng)域是我國(guó)的重點(diǎn)發(fā)展方向,這體現(xiàn)了國(guó)家對(duì)顯示屏及相關(guān)產(chǎn)業(yè)的重視。LED作為背光光源，其功耗低、壽命長(zhǎng)的特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于戶外顯示、液晶屏、平板電視等。隨著近幾年技術(shù)的快速發(fā)展，LED 背光分區(qū)越來(lái)越多地被顯示器、平板電視采用，本文將從LED背光分區(qū)調(diào)光技術(shù)在平板電視中的應(yīng)用進(jìn)行詳述，希望通過(guò)此文章使大家對(duì)背光分區(qū)調(diào)光電視有所了解。

關(guān)鍵詞：LED；分區(qū)調(diào)光；平板電視

LED，全稱發(fā)光二極管，是一種常用的發(fā)光器件，通過(guò)電子與空穴復(fù)合釋放能量發(fā)光。近些年來(lái)，LED 憑借功耗低、壽命長(zhǎng)的優(yōu)點(diǎn)，不斷在顯示領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用，本文將主要從 LED 背光分區(qū)調(diào)光技術(shù)定義、特性等內(nèi)容，對(duì)其在平板電視中的應(yīng)用進(jìn)行詳細(xì)講述。

1 LED背光分區(qū)調(diào)光技術(shù)

1.1 分區(qū)調(diào)光技術(shù)

分區(qū)調(diào)光技術(shù)，即區(qū)域調(diào)光（Local Dimming），可以獨(dú)立地控制指定區(qū)域。區(qū)域調(diào)光控制技術(shù)是根據(jù)所要顯示的區(qū)域圖像內(nèi)容決定背光亮度或顏色，并對(duì) LCD 控制信號(hào)進(jìn)行調(diào)制，在保持圖像亮度的前提下，有效地節(jié)省功耗，提高對(duì)比度。^[2]

液晶顯示圖像可感知情況可表述為：呈現(xiàn)在人眼中的圖像是屏幕上的圖像內(nèi)容加背光顯示，通過(guò)對(duì)背光進(jìn)行分區(qū)調(diào)節(jié)，可以實(shí)現(xiàn)畫面亮處顯示更亮，暗處顯示更暗的效果，一方面可以節(jié)省功耗，二是可以提高對(duì)比度。

Local Dimming 由兩個(gè)部分組成，背光部分和圖像補(bǔ)償部分。通過(guò)背光控制實(shí)現(xiàn)對(duì)比度提升，同時(shí)由于一幅畫面過(guò)來(lái)時(shí)，在暗區(qū)的燈亮度也會(huì)比較暗，這個(gè)時(shí)候會(huì)出現(xiàn)暗場(chǎng)細(xì)節(jié)不清晰的問題，因此需要進(jìn)行圖像補(bǔ)償補(bǔ)回暗場(chǎng)細(xì)節(jié)。

1.2 分區(qū)調(diào)光技術(shù)主要特點(diǎn)

分區(qū)調(diào)光功耗更低：無(wú)分區(qū)背光的顯示器就是一整個(gè)背光面同時(shí)發(fā)光；有分區(qū)背光則是背光源分成多個(gè)區(qū)域，每個(gè)區(qū)域都可以進(jìn)行獨(dú)立的控光。

分區(qū)調(diào)光對(duì)比度更高：亮和暗的區(qū)域?qū)Ρ让黠@，畫面層次更好。

分區(qū)調(diào)光峰值亮度高：亮區(qū)域的峰值亮度，通過(guò)軟件算化控制，可以在不增加功耗的基礎(chǔ)上，大幅增加峰值亮度；這一特點(diǎn)可應(yīng)用于場(chǎng)景環(huán)境光很強(qiáng)，需要提升顯示設(shè)備亮度的情況。

1.3 分區(qū)調(diào)光技術(shù)在LED背光上的應(yīng)用

分區(qū)調(diào)光技術(shù)在液晶顯示上主要應(yīng)用于側(cè)入式和直下式 LED 背光，可提升畫面對(duì)比度，提高峰值亮度等。由于側(cè)入式 LED 背光搭載分區(qū)調(diào)光帶來(lái)較明顯的缺點(diǎn)即滲光（光暈）現(xiàn)象，當(dāng)峰值亮度越高，對(duì)比度越高，滲光現(xiàn)象越嚴(yán)重；當(dāng)峰值亮度將低，滲光現(xiàn)象越減弱，但對(duì)比度也同時(shí)降低。而直下式背光方式能較好地改善滲光（光暈）現(xiàn)象，因此，分區(qū)調(diào)光技術(shù)目前主要以直下式背光進(jìn)行畫質(zhì)提升。

2 分區(qū)調(diào)光技術(shù)在平板電視中的應(yīng)用

目前，在平板電視 LED 背光應(yīng)用中，背光調(diào)整技術(shù)主要有全局（Global）調(diào)光和區(qū)域（Local）調(diào)光兩種。

Global Dimming 調(diào)光是針對(duì)整個(gè)畫面進(jìn)行調(diào)整，高亮拉升的同時(shí)，低亮?xí)瑫r(shí)拉升，背光的功耗也會(huì)對(duì)應(yīng)增加；低亮壓低的同時(shí)，高亮同時(shí)壓低，會(huì)影響到圖像的景深顯示效果。

為了解決 Global Dimming 全局背光控制的這些缺點(diǎn)，提升顯示畫面的動(dòng)態(tài)對(duì)比度，更好地優(yōu)化電源的有效功率，降低整機(jī)的功耗，在平板電視上對(duì) Local Dimming 技術(shù)進(jìn)行研究及應(yīng)用。

2.1 分區(qū)調(diào)光在平板電視上應(yīng)用的系統(tǒng)架構(gòu)

圖1 分區(qū)調(diào)光在平板電視上應(yīng)用的系統(tǒng)架構(gòu)

分區(qū)調(diào)光的控制主要有兩種方式，分別如下。

1）SOC → MCU（百分區(qū)級(jí)）/FPGA（千分區(qū)級(jí)及以上）→?驅(qū)動(dòng)模塊?→?背光模塊

該架構(gòu)分區(qū)調(diào)光算法可存放在 MCU/FPGA 中，可 自主進(jìn)行算法設(shè)計(jì)，且更改調(diào)整相對(duì)比較方便；帶載能力較強(qiáng)，對(duì)分區(qū)數(shù)大小沒限制；缺點(diǎn)是 SoC(MTK**)/ FRC(6 M**)、MCU/FPGA、驅(qū)動(dòng)模塊的同步處理比較復(fù)雜。

2）SoC →?驅(qū)動(dòng)?→?背光模塊

該架構(gòu)是 SoC 直推驅(qū)動(dòng)，同步及數(shù)據(jù)處理相對(duì)簡(jiǎn)單；缺點(diǎn)是分區(qū)數(shù)越多占用 SoC 資源越多，同時(shí)設(shè)計(jì)產(chǎn)品的差異化減少。

2.2 分區(qū)驅(qū)動(dòng)技術(shù)應(yīng)用

隨著 LED 背光分區(qū)技術(shù)的發(fā)展，平板電視上的分區(qū)數(shù)量已涵蓋幾十分區(qū)到上千分區(qū)。從產(chǎn)品驅(qū)動(dòng)方面來(lái)看，背光方案設(shè)計(jì)遵循“低分區(qū)少 IC，高分區(qū)多 IC”的原則，同一方案有不同的 IC 設(shè)計(jì)選擇，其主要取決于系統(tǒng)可制造性、功耗、成本等。

Mini-LED 技術(shù)的發(fā)展推動(dòng)了驅(qū)動(dòng)技術(shù)發(fā)展，該顯示技術(shù)主要分為兩大類，一類是直接將 Mini LED 通過(guò)無(wú)源矩陣 (PM) 驅(qū)動(dòng)或有源矩陣 (AM) 驅(qū)動(dòng)，是最接近 Micro LED 的顯示技術(shù)，尚有多項(xiàng)技術(shù)問題未攻克 , 沒有實(shí)現(xiàn)商業(yè)化應(yīng)用；另外一類則是 Mini LED 背光技術(shù)，通過(guò)將 Mini LED 背光與 LCD 結(jié)合，可以大幅提升 LCD 在對(duì)比度和運(yùn)動(dòng)模糊方面的性能。^[3]

PM（Passive Matrix，被動(dòng)矩陣）方式靜態(tài)或者掃描實(shí)現(xiàn)方式。靜態(tài)方式：高壓大電流方式，成本及可靠性最優(yōu)，平板電視大批量出貨，分區(qū)數(shù)集中在百分區(qū)級(jí)；主要應(yīng)用于傳統(tǒng) LED 背光方案。

掃描方式：高壓小電流方式，分區(qū)越多，相比靜態(tài)成本越低，平板電視小批量出貨，分區(qū)數(shù)集中在千分區(qū)級(jí)；主要應(yīng)用于傳統(tǒng) LED、Mini LED 背光方案。

AM 方式（Active Matrix，動(dòng)態(tài)矩陣）：低壓小電流方式，大幅降低成本，優(yōu)勢(shì)明顯；軟件協(xié)議可靠性，信號(hào)傳輸完整性等需要大量實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證優(yōu)化改進(jìn)；分區(qū)數(shù)集中在幾千分區(qū)級(jí)；主要應(yīng)用于 Mini LED 背光方案。

從實(shí)現(xiàn)方式來(lái)說(shuō)，分區(qū)驅(qū)動(dòng)在系統(tǒng)內(nèi)可設(shè)計(jì)為：燈驅(qū)分離，即 LED 燈和驅(qū)動(dòng)芯片分開，用線束連接；燈驅(qū)合一，即 LED 燈和驅(qū)動(dòng)芯片放置于同一個(gè)玻璃基或鋁基板或 FR4 板等，通過(guò)印制板走線，取消線束。

2.3 分區(qū)驅(qū)動(dòng)算法應(yīng)用

Local Dimming 算法設(shè)計(jì)主要分為對(duì)比度提升算法和功耗限定算法。先對(duì)圖像的亮度灰階值進(jìn)行對(duì)比度提升算法，然后再根據(jù)背光功耗的限定值對(duì) PWM 占空比進(jìn)行限制，得到最終值提供給背光驅(qū)動(dòng)來(lái)控制背光。

從圖像信息中提取背光驅(qū)動(dòng)信號(hào)的方法。

（1）平均值法，通過(guò)計(jì)算每個(gè)分區(qū)的所有像素灰度平均值確定背光強(qiáng)度，所確定的背光強(qiáng)度偏暗，此方法對(duì)比度高且功耗小，但圖像失真較嚴(yán)重。

（2）平方根法，通過(guò)計(jì)算每個(gè)背光分區(qū)的灰度平均值，然后歸一化取均方根值來(lái)確定背光強(qiáng)度，可進(jìn)一步增強(qiáng)平均值法的背光信號(hào)，避免了背光過(guò)暗的問題，但仍避免不了圖像失真的現(xiàn)象。

（3）最大值法，將對(duì)應(yīng)的分區(qū)所有子像素的最大值作為背光值，該方法雖然可保持大部分的圖像細(xì)節(jié)，但卻存在較高的功耗，對(duì)比度也很難做高。

通過(guò)算法改善畫質(zhì)，提升動(dòng)態(tài)對(duì)比度的顯示效果，優(yōu)化電源有效功率，降低整機(jī)的功耗；并且可以針對(duì)暗場(chǎng)信號(hào)進(jìn)行單獨(dú)處理來(lái)有效的改善整機(jī)的部分漏光現(xiàn)象。

2.4 分區(qū)調(diào)光系統(tǒng)設(shè)計(jì)考慮

從光學(xué)角度講，分區(qū)電視中LED燈主要方式有燈條、燈板。第一種燈條方式，成本較低，每一個(gè)區(qū)的燈顆數(shù)不宜較多（單排燈較多光形圖較差）；第二種燈板方式，成本較高，每一個(gè)區(qū)的燈顆數(shù)，可以根據(jù)光形圖進(jìn)行設(shè)計(jì)排布，光形圖可以接近正方形。因?yàn)槊恳粋€(gè)區(qū)的光形圖對(duì)于畫質(zhì)優(yōu)化有著極大影響，所以燈的排布是需要系統(tǒng)考慮的。

從整機(jī)功耗角度講，電流越高，熱隨之增加，平板電視整機(jī)功耗上升，效率就會(huì)下降。從系統(tǒng)角度講，使用小尺寸芯片并降低驅(qū)動(dòng)電流，相應(yīng)地通過(guò)增加背光分區(qū)控制來(lái)提升電視畫質(zhì)。

從產(chǎn)品定位講，平板電視背光到底要做到多少分區(qū)才算合理，目前沒有明確的標(biāo)準(zhǔn)，還是要綜合考慮亮度、外觀造型、成本、系統(tǒng)可制造性等因素。

2.5 平板電視行業(yè)發(fā)展

目前，各平板電視廠商大力布局 Local Dimming 功能的整機(jī)，目前帶分區(qū)調(diào)光功能的產(chǎn)品在市場(chǎng)上都取得了不錯(cuò)的市場(chǎng)反響。分區(qū)技術(shù)發(fā)展及應(yīng)用預(yù)期如下。

（1）顯示（畫質(zhì)）技術(shù)迭代，Mini LED/Micro LED 是目前最為可能的下一代顯示技術(shù)，或?qū)⒊蔀槲磥?lái) 5~10 年顯示行業(yè)的發(fā)力點(diǎn)。Mini LED 是 Micro LED 的先導(dǎo)技術(shù) , 在液晶顯示應(yīng)用中被定義為“高階直下式再升級(jí)”產(chǎn)品。各大終端消費(fèi)電子品牌相繼推出了基于 Mini LED 背光的新產(chǎn)品，成為電視行業(yè)新的技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)。

（2）PM分區(qū)技術(shù)短期內(nèi)仍是百分區(qū)級(jí)的主流方案，但 AM 分區(qū)技術(shù)已有下沉的趨勢(shì)（百分區(qū)級(jí)）；分區(qū)數(shù)越多越有利于提升顯示品質(zhì)，但是相應(yīng)需要 LED 數(shù)量和 LED Driver IC 的數(shù)量就會(huì)增加，由此就帶來(lái)了成本的上升。另外一方面，PM Mini LED 和 AM Mini LED 在技術(shù)上有一些路線的差異，這也會(huì)影響到分區(qū)路線的選擇。如果采用 AM 背板，可以有效減少 LED Driver IC 使用數(shù)量，更容易實(shí)現(xiàn) 1 000 分區(qū)以上，可以實(shí)現(xiàn)更細(xì)膩的顯示效果。

3 結(jié)語(yǔ)

隨著 LED 背光分區(qū)技術(shù)的發(fā)展，平板電視上的分區(qū)數(shù)量已涵蓋幾十分區(qū)到上千分區(qū)，在消費(fèi)升級(jí)的大環(huán)境下，分區(qū)調(diào)光技術(shù)成為了未來(lái)電視行業(yè)發(fā)展的主旋律，將最先進(jìn)的技術(shù)與產(chǎn)品完美融合，讓更多、更好的平板電視走進(jìn)每一個(gè)家庭中，讓更多的消費(fèi)者享受科技帶來(lái)的極致體驗(yàn)。

參考文獻(xiàn)：

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[3] 季洪雷,陳乃軍,王代青,等.Mini-LED背光技術(shù)在電視產(chǎn)品應(yīng)用中的進(jìn)展和挑戰(zhàn)[J].液晶與顯示,2021(08):25-27.

(注：本文轉(zhuǎn)載自《電子產(chǎn)品世界》雜志2022年10月期)