改善LCD背光的調(diào)光粒度

通過31級調(diào)光范圍，現(xiàn)有LED驅(qū)動器能夠提供良好的調(diào)光能力，從而為LCD顯示屏提供平滑的背光增強或減弱效果。然而， 當(dāng)終端應(yīng)用涉及到較大的高端顯示屏?xí)r，這樣一個范圍就可能不夠了。特別是對于避免突兀的光亮度變化而言，有必要保持非常平滑的啟動和關(guān)斷，否則這種變化在LCD顯示屏工作于較暗的環(huán)境中時就會被感知為脈沖光。為了消除這種視覺壓力，需要更多的調(diào)光步驟，提供極低的啟動序列。本文將闡述一種將現(xiàn)有LED驅(qū)動器從31級調(diào)光增加到93級的簡單方法。

標(biāo)準(zhǔn)操作

通常來講，發(fā)光二極管(LED)電流通過電流鏡結(jié)構(gòu)來監(jiān)測，這種結(jié)構(gòu)能夠?qū)α鹘?jīng)LED的直流電流進行精確調(diào)節(jié)。電流不是由外部微控制器(MCU)就是由LED驅(qū)動器的內(nèi)置邏輯來進行數(shù)字控制。對于邏輯電路產(chǎn)生的每一個步驟而言，電流增加(或減少，取決于終端用戶選定的方向)，LED的亮度就相應(yīng)地變化。就這點而言，可以考慮兩種光變化方法：要么是純粹的線性曲線，要么是指數(shù)曲線。這兩種方法各有其優(yōu)缺點，但在選擇何種曲線之前應(yīng)該考慮人眼的感受。

從硅設(shè)計的角度講，基本上線性曲線更為容易，但需要更多級(step)才能恰當(dāng)?shù)靥幚磔^小的光變化，特別是LED工作在低電流區(qū)域時。同樣地，指數(shù)曲線集成到硅芯片中會較復(fù)雜，但需要的調(diào)光級較少，因為曲線的低端部分就能夠在低端電流區(qū)域提供非常平滑的變化?？紤]到人眼對光的反應(yīng)，兩相比較的結(jié)果就是指數(shù)曲線更適合，因為它會自動補償人眼對光線感知的對數(shù)曲線。圖1中的曲線說明了這種原理。
圖1  典型的人眼感光度曲線

應(yīng)用平滑的調(diào)光功能

憑借準(zhǔn)指數(shù)形式的31級，安森美半導(dǎo)體的NCP5623將用作一個參考來描述高粒度的調(diào)光功能?；旧?，這芯片含有一個電荷泵，用于產(chǎn)生給LED的足夠電壓，并含有三個獨立的電流鏡，用于精確地調(diào)節(jié)流經(jīng)LED的直流正向電流。

峰值電流由IREF引腳產(chǎn)生的參考電流乘以2 N來設(shè)定，其中指數(shù)N是外部MCU所設(shè)定的級數(shù)：

ILED = [(Vref/R)×2600]/(32-N)

參考電壓Vref由NCP5623的內(nèi)部結(jié)構(gòu)強制設(shè)定為600 mV，而電阻R連接Vref引腳和地。恒定系數(shù)2600是參考電流源和連接至LED的最后一個電流鏡之間產(chǎn)生的內(nèi)部比例。

此外，31級脈寬調(diào)制(PWM)與每個LED都相關(guān)，可對每個LED的亮度進行單獨控制?；镜墓ぷ魅鐖D2所示。
 
圖2  NCP5623的基本工作示意圖  

假設(shè)ILED峰值電流設(shè)定為25mA，第一級將使300μA(典型值)電流流經(jīng)LED，使得零至ILED之間的變化對于人眼來說相對較為突兀，特別是在外界光亮度低的條件下。為了克服這一點，我們可以動態(tài)地降低參考電流，使得ILED變化較?。簣D3中所示的基本原理圖闡釋了這個業(yè)經(jīng)證明的精確概念。HIGH-I和LOW-I這兩位能由MCU結(jié)合起來動態(tài)地調(diào)節(jié)新的電流參考，從而產(chǎn)生新的ILED電流提供給LED。當(dāng)然，如果這兩位都是低電平，使參考電流變?yōu)榱?，那么就沒有ILED流經(jīng)LED。
 
圖3  NCP5623參考電流的動態(tài)控制

另一種方法是利用現(xiàn)有PWM技術(shù)：將這個功能結(jié)合到單個LED中，就可在調(diào)光功能期間提供極寬的ILED電流變化。這個概念基于正常設(shè)置的ILED峰值電流等于將流至調(diào)光序列末端的預(yù)計總LED電流的三分之一。3個PWM將設(shè)定為串聯(lián)形式，使工作期間的ILED變化較小。

這樣一來的結(jié)果就是共有93個調(diào)光級，使用相同的準(zhǔn)指數(shù)曲線來將ILED電流從零增加(或減小)至芯片中設(shè)定的最大ILED電流。假設(shè)最大ILED電流為15mA，NCP5623將設(shè)定為使每個輸出電流為5mA，而第一級將使LED電流低于100mA，提供非常平滑的變化，而不會對人眼帶來視覺壓力。這序列將計算每個PWM的每一級，并啟動下一個PWM，以增大流至LED的電流，使得計數(shù)器計數(shù)完成時產(chǎn)生設(shè)定的15 mA電流。圖4所示的原理圖闡述了應(yīng)用于NCP5623的這個概念。

晶體管Q1用于補償調(diào)光序列從一個PWM轉(zhuǎn)至下一個PWM時產(chǎn)生的尖鋒。基本上，電容C4區(qū)分電流鏡輸入引腳處出現(xiàn)的電壓瞬態(tài)現(xiàn)象，通過強行施加一個短脈沖至外部電阻R3來降低參考電流IREF。
 
圖4  高粒度調(diào)光功能
 
圖5  典型的NCP5623增強型漸進調(diào)光功能

圖5提供的曲線展示NCP5623在這種條件下的表現(xiàn)。它可以產(chǎn)生多達(dá)90級，得到平滑的上升過程，這樣與人眼的感光度契合得很好。雖然藍(lán)色曲線中有些點呈現(xiàn)出非光滑波形(主要是因為測量等級存在的誤差)，但多項式曲線(橙色)在調(diào)光級和ILED電流之間產(chǎn)生非常良好的契合關(guān)系。
結(jié)合圖3中所描述的動態(tài)IREF控制功能和90級的序列，還有可能進一步提升曲線的平滑度。這里無需其它元件，只是需要軟件程序來結(jié)合這兩項機制。

結(jié)語

與動態(tài)可設(shè)定的參考電源源相關(guān)的嵌入式電流鏡，使NCP5623能夠在最終應(yīng)用需要非常平滑調(diào)光時能處理超過90個調(diào)光級。此外，一種簡單的軟件程序提供180級的調(diào)光斜線擴展，使得系統(tǒng)在周圍光照亮度極低的環(huán)境下能夠產(chǎn)生極其平滑的曲線。