系統(tǒng)級(jí)方法優(yōu)化LED背光設(shè)計(jì)

文章來源:恒光電器

發(fā)布時(shí)間:2014-10-16

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 在LCD電視業(yè)界，LED正快速成為背光技術(shù)的選擇，同時(shí)它也正在不斷進(jìn)入更大尺寸屏幕的領(lǐng)域。LED尺寸小，CE認(rèn)證，功耗低，顯示性能也好，所以在它即將成為所有LCD產(chǎn)品的主流背光源，這點(diǎn)基本上沒有什么疑問。但是，系統(tǒng)設(shè)計(jì)師們必須知道如何對(duì)LED背光設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化，只有那樣才能在市場(chǎng)中獲勝，這個(gè)市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)將是很激烈的。

在開發(fā)下一代基于LED的平板電視時(shí)，LCD電視系統(tǒng)設(shè)計(jì)師們面臨著眾多選擇。他們必須選擇使用直下式還是側(cè)光式LED背光結(jié)構(gòu)，還要從多種調(diào)光技術(shù)、功率管理方法以及熱保LED正在快速成為大型顯示屏的主流背光源，但設(shè)計(jì)師們還需要解決熱量管理、功率管理、亮度調(diào)節(jié)以及其他問題，這樣才能設(shè)計(jì)出性能優(yōu)化的系統(tǒng)。Xiaoping Jin和Arkadiy Peker如是分析。

在LCD電視業(yè)界，LED正快速成為背光技術(shù)的選擇，同時(shí)它也正在不斷進(jìn)入更大尺寸屏幕的領(lǐng)域。LED尺寸小，功耗低，顯示性能也好，恒光電器，所以在它即將成為所有LCD產(chǎn)品的主流背光源，這點(diǎn)基本上沒有什么疑問。但是，系統(tǒng)設(shè)計(jì)師們必須知道如何對(duì)LED背光設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化，照明資質(zhì)，只有那樣才能在市場(chǎng)中獲勝，家用照明，這個(gè)市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)將是很激烈的。

在開發(fā)下一代基于LED的平板電視時(shí)，LCD電視系統(tǒng)設(shè)計(jì)師們面臨著眾多選擇。他們必須選擇使用直下式還是側(cè)光式LED背光結(jié)構(gòu)，LED燈管，還要從多種調(diào)光技術(shù)、功率管理方法以及熱保護(hù)技術(shù)中加以甄別。他們要關(guān)注如何實(shí)現(xiàn)精確又穩(wěn)定的色彩管圖l理，以及如何更好地將LED背光控制和視頻處理器進(jìn)行同步，廠房照明，以便實(shí)現(xiàn)Dl、D2和D3背光尋址技術(shù)。還有，設(shè)計(jì)師們還必須選出最佳的LED背光設(shè)置圖形用戶接口(GUI)。

隨著TV面板尺寸越來越大，分辨率越來越高，這些決策也變得越來越重要了。隨著TV面板全面轉(zhuǎn)向1080p分辨率，并且顯示面積不斷增加，TV背光單元(BLU)在圖像顯示質(zhì)量中所扮演的角色也更加重要了。

在為大型LCD TV設(shè)計(jì)下一代LED的BLU時(shí)，有幾個(gè)關(guān)鍵因素必須考慮。比如，在每個(gè)邊以及從中心到邊角之間的照明度必須一致，還要在實(shí)現(xiàn)高動(dòng)態(tài)范圍對(duì)比度和更深的黑度之間取得平衡。色域也很重要，必須達(dá)到或超過NTSC的要求。視頻品質(zhì)則必須滿足所有動(dòng)態(tài)影像反應(yīng)時(shí)間(MPRT)的必需要求，同時(shí)為了降低能耗，照明效率也應(yīng)當(dāng)較高。

為了達(dá)到滿意的圖像品質(zhì)，TV面板生產(chǎn)商有一些選項(xiàng)，包括側(cè)光式(DO)，或者為了提升效率采用掃描調(diào)光(D1)或者本地或區(qū)域調(diào)光(D2)。通過使用RGB LED BLU以實(shí)現(xiàn)D3，也即針對(duì)紅、綠、藍(lán)三種LED的亮度進(jìn)行獨(dú)立的本地或區(qū)域調(diào)光，才能獲得最佳的圖像質(zhì)量。

除了圖像品質(zhì)以外，尚有很多和前述每種BLU設(shè)計(jì)相關(guān)的成本或?qū)崿F(xiàn)的問題。側(cè)光式和直下式LEDBLU都有不同的要求，這又會(huì)影響到系統(tǒng)級(jí)能耗效率，并且對(duì)功率系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)產(chǎn)生影響。

設(shè)計(jì)師必須選用最佳的LED串驅(qū)動(dòng)模塊，當(dāng)然，照明控制系統(tǒng)的選擇也很重要，它可以在很寬的輸入電壓和工作溫度范圍內(nèi)對(duì)LED電流進(jìn)行精確地控制，同時(shí)還能提供足夠的熱保護(hù)。同樣，節(jié)能與環(huán)保，在RGB-LED的BLU實(shí)現(xiàn)過程中， led商業(yè)照明，CCC認(rèn)證，還應(yīng)具備精確的色彩管理;BLU與系統(tǒng)視頻處理器的同步是為了實(shí)現(xiàn)BLU尋址機(jī)制(包括DO、Dl、D2以及D3亮度調(diào)節(jié)方案)。

通常，基于LED的BLU總是含有多個(gè)白光或紅、綠、藍(lán)光的LED串。BLU還會(huì)集成照明控制，以及一個(gè)帶有視頻處理接口的控制器，LED天花燈，利于亮度調(diào)節(jié)。另外，BLU還會(huì)帶有周邊環(huán)境光感應(yīng)器(用于W-LED BLU)或者RGB光感應(yīng)器(用于RGB-LED BLU)，并外帶診斷功能。

BLU上集成的功率模塊，帶有一個(gè)或多個(gè)功率供應(yīng)單元(PSU)，外加熱量管理功能和通向BLU照明控制以及管理模塊的接口。最后的元件是LED驅(qū)動(dòng)器和相應(yīng)的保護(hù)機(jī)制。對(duì)于BLU功率系統(tǒng)來說，設(shè)計(jì)的基本需求是成本低、尺寸小、效率高，所有這些都會(huì)受到亮度調(diào)節(jié)功能實(shí)現(xiàn)方案的影響。舉例來說，一個(gè)使用DO亮度調(diào)節(jié)的側(cè)光式BLU會(huì)要求有數(shù)量多但尺寸很小的PSU，而直下式則用D2本地或區(qū)域調(diào)光的BLU就能接受數(shù)量較少且尺寸較大、較高的PSU。

要想理解亮度調(diào)節(jié)功能對(duì)PSU設(shè)計(jì)的影響，搞清楚LED的工作原理是首要的。LED是一種電流驅(qū)動(dòng)型器件，道路照明，它的輸出亮度與輸入電流直接成正比，電流又是通過恒定直流電源輸出，以保持穩(wěn)定的發(fā)光亮度。恒流源同LED正向電壓(VF)保持獨(dú)立，恒光電器,照亮您的生活，即使溫度變化也是如此。

圖1是一個(gè)RGB-LED BLU， led質(zhì)量，其中RGB-LED陣列是由一個(gè)恒壓源(PS)驅(qū)動(dòng)的，該恒壓源采用一個(gè)獨(dú)立的電流源進(jìn)行控制。對(duì)于W-LED串來說，把每個(gè)彩色的LED換成白色LED就可以了。

圖1所示的RGB-LED BLU在實(shí)現(xiàn)起來功率效率上會(huì)出現(xiàn)折衷。PSU的必須能夠支持LED陣列或LED串(最大的VF總值)。因?yàn)椴煌�色彩的LED之間甚至相同色彩的LED之間VF會(huì)存在差異，這將引起過度的能量消耗。這些差異通常是由LED制造工藝的變化而引起的。就拿飛利浦Lumileds的紅光Luxeon LED舉個(gè)例子，它的典型VF壓降是2.95V,而綠光LED的典型VF壓降是3.99V。

因此，PSU的最大電壓就應(yīng)該是39.9V，這對(duì)紅光LED陣列來說會(huì)引起過量的能量消耗，其消耗量Pd=(39.9V-29.5V)×0.35A= 3.64W.

為了提升能量效率，系統(tǒng)設(shè)計(jì)師可以為每個(gè)R/G/B陣列設(shè)計(jì)一個(gè)單獨(dú)的DC/DC轉(zhuǎn)換器，并且可以通過調(diào)節(jié)流經(jīng)LED串的電流感應(yīng)電阻上的電壓值，把它轉(zhuǎn)變成為一個(gè)恒流源。這個(gè)方法相對(duì)比較昂貴，但它具有更高的能源效率，同時(shí)還可以用于W-LED方案，只需把其中的彩色LED替換成白光LED即可。

熱量管理是設(shè)計(jì)中要考慮的重要問題。LED BLU必須能夠?qū)�LED產(chǎn)生的熱量參數(shù)進(jìn)行管理。隨著溫度的上升，這個(gè)參數(shù)的存在會(huì)減少發(fā)光量。如果PWM的做功周期的增長(zhǎng)速度要比LED的VF下降得更快，就會(huì)讓LED背光系統(tǒng)進(jìn)入發(fā)熱失控的狀態(tài)。發(fā)光控制和管理模塊必須對(duì)LED的溫度進(jìn)行測(cè)量，如果這個(gè)溫度超過某個(gè)預(yù)設(shè)值，應(yīng)減少所有RGB PWM信號(hào)的做功周期，以此避免LED熱量失控，從而避免LED BLU和顯示器的毀壞。

色彩管理也很重要。對(duì)W-LEDBLU來說，只需要一個(gè)顯示亮度感應(yīng)器來維持整體的亮度，但RGB-LEDBLU系統(tǒng)就需要更復(fù)雜的RGB感應(yīng)器以及閉合的色彩環(huán)來管理預(yù)設(shè)值或者是用戶設(shè)定的白點(diǎn)。通過應(yīng)用先進(jìn)的亮度調(diào)節(jié)技術(shù)，比如Dl掃描調(diào)光、D2本地或區(qū)域調(diào)光以及D3基于RGB的區(qū)域或本地調(diào)光，就可以得到最佳的圖像品質(zhì)（圖2）。