在RGB顯示器中生成一致的LED亮度

發(fā)光二極管(LED)在各種終端設(shè)備中已經(jīng)被廣泛使用，從汽車前照燈、交通信號燈、文字顯示器、廣告牌及大屏幕視頻顯示器，到普通及建筑照明和LCD背光等最新應(yīng)用，LED的迅速采用使得最普通的設(shè)備也需要重新設(shè)計(jì)。隨著LED效率與亮度的增加以及成本的減少，LED有可能會(huì)取代消費(fèi)類應(yīng)用中的傳統(tǒng)照明技術(shù)。本文通過比較采用基于LED的LCD背光的大屏幕顯示器中所使用的一些技術(shù)，闡述如何解決在使用LED時(shí)所面對的一些設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。

體育場或廣告顯示牌使用了很多顯示面板及成千上萬個(gè)LED。在每一顯示陣列中，各LED(也稱為像素)的亮度會(huì)有很大的差異，最亮和最暗LED之間的亮度差有時(shí)甚至能高達(dá)15%～20%。盡管此問題是所有LED應(yīng)用的通病，但在一些要求有像素一致性的高質(zhì)量顯示系統(tǒng)中顯得尤為突出。為彌補(bǔ)這種差異，廠商通常采用兩種辦法：一是從供應(yīng)商處購買經(jīng)過匹配的或經(jīng)過篩選的LED；二是采用帶有“點(diǎn)校正”功能的高質(zhì)量LED驅(qū)動(dòng)器。

LED供應(yīng)商提供經(jīng)過匹配的LED并收取一定的額外費(fèi)用。他們測試后再將這些RGB(紅、綠、藍(lán))發(fā)光二極管與可在規(guī)定電流上產(chǎn)生相似亮度的LED組合在一起。利用這種方法雖可以最少的設(shè)計(jì)工作量來為低端照明系統(tǒng)提供所需的亮度一致性，但每個(gè)像素隨時(shí)間的衰落速度或亮度下降速度各不相同，因而這種方法只能是一種暫時(shí)的解決方案。換言之，在今后一到兩年內(nèi)，各像素的亮度將無法再保持一致。另外，當(dāng)需要更換有缺陷的面板時(shí)，新?lián)Q上的面板的亮度在視覺上也會(huì)和其他面板有差異。

高端顯示系統(tǒng)對亮度匹配的要求很高，因此僅采用LED匹配這種方法還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。為在顯示單元的整個(gè)壽命周期內(nèi)獲得像素與面板亮度的一致性，廠商們普遍采用帶有點(diǎn)校正功能的高級LED驅(qū)動(dòng)器。點(diǎn)校正是一種通過調(diào)整流入陣列中每個(gè)LED的電流來控制像素亮度的方法。利用點(diǎn)校正功能，處理器可以控制流入LED面板的所有電流，同時(shí)LED驅(qū)動(dòng)器可調(diào)整供給每個(gè)LED的電流并產(chǎn)生一致的亮度。因此就不再需要查找表，也不需要LED在每個(gè)刷新周期的復(fù)雜倍乘任務(wù)，處理器可以把節(jié)省下來的資源用來執(zhí)行其他任務(wù)。為實(shí)現(xiàn)點(diǎn)校正，廠商通過照相來測量每個(gè)LED的亮度。系統(tǒng)中最暗的LED被指定為基本LED，而其他所有像素均與其進(jìn)行比較。為進(jìn)行這種校正，供給每個(gè)像素的電流都乘以一個(gè)和LED光強(qiáng)成正比的小數(shù)(或分?jǐn)?shù))。在像TI TLC5940中，每個(gè)LED的點(diǎn)校正值在每個(gè)刷新周期內(nèi)都可以有很大的不同，并能存儲在集成EEPROM中。這種“雙點(diǎn)校正”方法可提供讓整個(gè)面板亮度隨外部照明條件的改變而更新的靈活性，并能提供長期及非易失性的點(diǎn)校正信息，來確保面板亮度的一致性。亮度指標(biāo)會(huì)隨時(shí)間而改變，EEPROM中的數(shù)據(jù)可以進(jìn)行重新校正，若面板出現(xiàn)故障要求更換，EEPROM中的數(shù)據(jù)也可以進(jìn)行重寫。下面用一個(gè)具體例子來闡述這種方法。

為簡單起見，只考慮由多個(gè)面板及數(shù)千個(gè)LED像素組成的完整顯示系統(tǒng)中一種顏色的16個(gè)LED。視頻面板中綠像素的亮度指標(biāo)可能要求該像素的綠色LED具有80mcd的亮度。所選LED(Osram LP E675)按亮度分成四個(gè)組：45～56mcd、56～71mcd、71～90mcd及90～112mcd。每組亮度均在50mA的電流上測量。選擇亮度最高的組并保證其每個(gè)LED均具有至少80mcd的亮度。對于像TLC5940這樣的芯片，可用一個(gè)電阻來設(shè)置每片IC的最大電流，使每片IC都能驅(qū)動(dòng)16個(gè)LED。該電阻值必須能將電流設(shè)置成足夠高，以使最暗的LED也能產(chǎn)生80mcd的亮度。因此，根據(jù)LP E675的數(shù)據(jù)資料，芯片必須有43mA的驅(qū)動(dòng)電流才能產(chǎn)生80mcd的亮度。通過在安裝位置上測量LED的滿電流(43mA)亮度，即可得到如圖1所示的LED亮度直方圖。其中x軸為以mA表示的LED電流，而y軸則為以mcd表示的LED亮度。如圖1所示，在未進(jìn)行點(diǎn)校正前，所測得的面板中每個(gè)LED之間的亮度差可高達(dá)±10%。這樣大的亮度差在高端顯示器中是無法接受的。直方圖給出了對每個(gè)LED進(jìn)行調(diào)整或進(jìn)行點(diǎn)校正以產(chǎn)生一致亮度的相應(yīng)數(shù)據(jù)。例如，當(dāng)對滿亮度編程后，IC必須將LED1的亮度從83mcd校正為80mcd。TLC5940擁有6位的點(diǎn)校正(即64步)步進(jìn)，對應(yīng)于每步1.56%的滿量程分辨率。

圖1 點(diǎn)校正前的 LED亮度與正向電流直方圖

圖2 點(diǎn)校正后的LED亮度與正向電流直方圖

用下式可計(jì)算出每個(gè)LED的點(diǎn)校正值。

其中DCproduction為生產(chǎn)時(shí)所需的點(diǎn)校正值，Lbaseline為所需的亮度水平，而Linitial則是在最大電流上測得的亮度。

先將計(jì)算得到的點(diǎn)校正值四舍五入為最接近的小數(shù)，然后再將原始亮度乘以新的點(diǎn)校正系數(shù)，即得到更新后的LED亮度值。

在計(jì)算并存儲每個(gè)LED的點(diǎn)校正數(shù)據(jù)后，即可將LED驅(qū)動(dòng)器編程為其最大電流，以使LED驅(qū)動(dòng)器自動(dòng)調(diào)整供給每個(gè)LED的電流，這便產(chǎn)生了如圖2所示的直方圖。如果將點(diǎn)校正數(shù)據(jù)編程至TLC5940芯片的EEPROM中，則當(dāng)面板每次開機(jī)時(shí)即可加載點(diǎn)校正數(shù)據(jù)，而且會(huì)一直保留至面板下一次被再校準(zhǔn)為止。

對于室內(nèi)或室外工業(yè)用視頻顯示器，例如廣告牌及大屏幕顯示器等，光有靜態(tài)調(diào)整(即校準(zhǔn)后保持不變，直到手動(dòng)調(diào)整為止)還不夠。這種面板調(diào)整是顯示器日常維護(hù)程序中的一部分。而新興市場應(yīng)用則對此提出了更大的挑戰(zhàn)。隨著該技術(shù)進(jìn)入到消費(fèi)電子產(chǎn)品及家庭中，又如何來控制并調(diào)整LED隨時(shí)間的改變呢？

盡管這種發(fā)展仍處于初級階段，但現(xiàn)在已有一些顯示器采用了此項(xiàng)技術(shù)。索尼40英寸Qualia 005面板及三星46英寸的LNR460D面板，均推出了采用基于LED背光的LCD電視。與流行想法相悖的是，這兩種電視顯示器中的二極管并不“白”，而是通過控制及混合RGB LED來產(chǎn)生“可調(diào)的”白光。與傳統(tǒng)燈泡相比，LED背光擁有很多優(yōu)勢：更高的功率效率、更少的運(yùn)動(dòng)畫面拖影、更寬的色彩頻譜(在某些情況下大于105% NTSC)、更長的使用壽命及可調(diào)的色溫等，其畫面質(zhì)量非常高。盡管在亮度變化方面電視機(jī)工程師遇到了和傳統(tǒng)面板制造者一樣的挑戰(zhàn)，他們還必須著重考慮溫度變化問題，因?yàn)殡娨暠彻鈶?yīng)用對LED亮度隨溫度變化的改變很敏感。此外，電視機(jī)僅當(dāng)其背光性質(zhì)被調(diào)整為滿足每位消費(fèi)者起居室各不相同的環(huán)境照明條件時(shí)，才能達(dá)到其最佳顯示質(zhì)量。再加上消費(fèi)應(yīng)用的特點(diǎn)，便向人們提出了對動(dòng)態(tài)亮度調(diào)整的需求。

為創(chuàng)造這種動(dòng)態(tài)調(diào)整環(huán)路，需要使用幾個(gè)測量LED溫度及亮度變化的內(nèi)部傳感器，以及測量環(huán)境條件改變的外部傳感器。以其最基本的形式，控制環(huán)路以這些傳感器采集數(shù)據(jù)，并將這些數(shù)據(jù)輸入至處理器中開始，然后處理器再對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行評估，并向TLC5940等LED驅(qū)動(dòng)器芯片提供智能校正功能。此外，處理器還通過結(jié)合原始工廠校準(zhǔn)點(diǎn)校正值與新的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)來產(chǎn)生更新后的點(diǎn)校正數(shù)據(jù)。

還用前面的示例，假如環(huán)境亮度表測得僅需70%的滿亮度或56mcd的環(huán)境照明條件，則處理器會(huì)算出新的44.8的環(huán)境光點(diǎn)校正值。如果由于溫度上升而使LED亮度下降10%，則處理器會(huì)計(jì)算71.1的溫度點(diǎn)校正值。結(jié)合所有這三種點(diǎn)校正值來產(chǎn)生新的點(diǎn)校正數(shù)據(jù)，即可對這三種亮度變化進(jìn)行補(bǔ)償。

從上可見，運(yùn)用48的組合點(diǎn)校正值即可得到56mcd的期望亮度。請注意，由于溫度引起亮度下降，故本計(jì)算中的起始電流被設(shè)置為起始生產(chǎn)電流的90%。

只有可提供并能組合運(yùn)用動(dòng)、靜態(tài)點(diǎn)校正方法的高級LED驅(qū)動(dòng)器，才能提供針對消費(fèi)者特定觀看條件的最佳背光解決方案。在由索尼及三星提供的原型電視機(jī)中，LED采用串聯(lián)方式減少控制單個(gè)LED的所需資源。要設(shè)計(jì)對背光顯示單元的全動(dòng)態(tài)控制，需對單個(gè)LED進(jìn)行控制。因此，LED廠商目前正在開發(fā)可實(shí)現(xiàn)更靈活陣列配置的先進(jìn)技術(shù)。

用于電視機(jī)的智能背光，是下一項(xiàng)將應(yīng)用到家庭的創(chuàng)新技術(shù)，將使電視機(jī)的畫面質(zhì)量大幅度提高，改善人們在使用中的視覺體驗(yàn)。