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奈何采用PWM调光技能来提升LED屏幕的画质

来源:波音国际日期:2020/01/26 浏览:

  波音国际网址如果仔细观看视讯屏幕,会发现其中有数百个视讯面板,再更靠近一点,会发现各个面板有纵横各十六条画素,每个画素由三个LED所组成,分别是红色、绿色、蓝色。各个LED的阳极都连接到

  电子设计人员的挑战在于如何使用LED驱动器有效控制LED电流,大多数高阶LED驱动器能藉由多种方法控制系统中的电流,许多驱动器具有可调整LED亮度的功能,例如点修正(DC)、脉冲宽度调变(PWM)调光及全局亮度控制(BC)。虽然这些功能可发挥相同的基本效用,也就是调整LED亮度,不过各自原有的用途皆不相同,只有了解如何适当使用这些功能,才能提供最佳画质的视讯。

  了解LED驱动器的进阶功能之前,必须先了解两种降低LED亮度的方法,分别是模拟调光和PWM调光。模拟调光是指改变通过LED的正向电流,若以一半的电流驱动LED,其亮度也随之减半。虽然无法确实达到1:1的比例,LED亮度和正向电流大致呈现线性关系。

  PWM调光是指藉由开启及关闭电流,以变更电流的脉冲宽度,而非振幅。LED亮度可透过开启LED的时间百分比或负载周期加以控制。肉眼只能感受到大约60Hz以下的频率响应,若以高于60Hz的速率开启及关闭LED,肉眼只能感受到平均的LED亮度。大部分的显示器都采用100Hz以上的PWM调光。对于固定PWM调光频率,负载周期减少会导致LED亮度降低。图1显示将20毫安(mA)LED调光至25%亮度时,模拟调光及PWM调光两者的比较,这两个LED的亮度都相同。

  LED制造处理容差相当不易控制,对于高质量显示器而言,两个主要的LED特性是发光强度和频谱纯度。不过,不同LED所呈现的特性差异极大,即使是相同的LED制造批次也是如此。在理想的情况下,处理器运用LED驱动器以相同电流开启所有红色LED时,可达到相同的亮度。然而事实上,以相同电流驱动LED,亮度会有极大的差异。市面上一般的LED零件以相同的正向电流驱动时,会呈现2:1的亮度差异。

  如果不处理如此差异,LED面板会有极不佳的画素间亮度匹配,而点修正可有效处理发光强度的差异。点修正是指将LED显示器中各画素或点的密度加以修正或正常化。调整通过个别LED的模拟电流即可达到如此的效果。面板制造完成后,必须在原厂进行第一次点修正。测试设备可测量LED密度,并产生设定于IC之上的点修正系数,以调整LED亮度。

  一般LED驱动器可针对单一电阻的各个输出设定LED电流上限。点修正使用模拟调光,将电流调整为电流上限的百分比程度。点修正所调整的位计数愈多,最终的LED亮度愈一致。6位点修正可提供从0毫安到Rset电阻定义电流上限的六十四种不同电流层级,能逐步以1.59%的比例调整正向电流;7位点修正能逐步以0.79%的比例调整正向电流。图2显示量产面板经过点修正前后的亮度。

  进行点修正前,所有LED都有相同的正向电流,因此造成2:1的亮度差异。进行点修正后,LED驱动器能以不同的电流驱动所有LED,使LED达到相同的亮度。值得注意的是,点修正必须能将亮度调整为低于面板中最暗LED的值。在许多面板合并为大型显示器的生产环境中,必须将所有LED的亮度设定为等于或低于系统中最暗LED的亮度,因此LED的数据表应该提供指定的亮度范围下限。

  点修正也可用来调整整个显示器的亮度。在正午阳光充足的户外可使用全亮度,不过相同的亮度对于夜间或室内就显得亮度过高。将所有点修正值降低至先前值的百分比程度,也可降低整体面板亮度。如果系统使用点修正的IC,但不运用点修正功能,则将所有点修正值设定为上限值的一半,即可达到50%的亮度。对于经过7位点修正的LED驱动器,将所有点修正值从一百二十七降低至六十三,即可达到50%的亮度。以下等式可设定使用点修正时LED的正向电流:

  其中Imax是Rset设定的输出电流上限,DCx是输出x的点修正值,n是点修正的位数。对于以上范例,Imax等于40毫安,DC等于六十三,所有LED电流即设定为40毫安×63/127=19.84毫安。

  如果系统已使用点修正功能达到一致的面板亮度,仍可使用点修正进行调光。将点修正值设定为原始值的一半,可达到50%的调光效果。以7位点修正LED驱动器为例,如果LED需要一百零八的点修正值,将电流设定为一致面板亮度所需的正确值,则将新的点修正值设定为54,即可调整为50%的亮度。

  为了维持确实的亮度匹配,同时达到整体面板的调光,高阶LED驱动器提供BC的个别缓存器,以达到整体面板调光之外的个别点修正效用。和点修正一样,亮度控制也是透过模拟调光进行。这两者的差异在于,点修正可调整个别的LED,而亮度控制可同时调整多个LED。点修正及亮度控制缓存器的数目及配置均与IC有关。

  举例来说,驱动八颗LED为一组的三个LED组所用的二十四信道LED驱动器包含二十四个点修正缓存器(每一个各用于个别 LED),其中包含三个亮度控制缓存器,每一个各用于个别LED组。另外还有十六个输出LED驱动器可驱动十六个相同色彩的LED,其中包含十六个内部点修正缓存器,并包含一个亮度控制器缓存器,可同时调整所有十六个输出。区别点修正及亮度控制的功能有助于精准控制LED亮度匹配,同时可进行整体面板的调光。在包含点修正及亮度控制的IC中,LED电流是由两种缓存器的值共同定义: 其中Imax是Rset设定的输出电流上限,DCx是输出x的点修正值,n是点修正的位数,BC是全局亮度值,m是亮度修正的位数。

  精准亮度控制只是高画质视讯中的一个环节,第二个环节是正确的色彩匹配。旧款显示器使用模拟调光来设定色彩混合的LED亮度,对于色彩质量有负面的影响。图3显示正向电流的变化和LED色彩变化间的关系。图3的真实绿色LED针对此一特定LED定义全亮度(20毫安)的色彩。若要使用模拟调光达到25%的亮度,需要5毫安的正向电流。这使得色谱从525奈米(nm)变成531奈米,对于须要呈现真实色彩的显示器而言,这是无法接受的程度。

  图3 数据源:Osram「InGaN LED 调光」色彩变化与正向电流的关系

  PWM调光又可以称作灰阶PWM调光,可消除LED调光有关的色彩变化。这类调光能以呈现高画质视讯所需的低亮度,维持正确的LED色彩。不论LED的亮度为何,PWM调光都能使通过LED的电流保持一致,以消除LED色彩变化。彩色显示器的各个画素是由三个LED所组。

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