視頻廣告牌和超大屏幕等均要求大量的小型子系統(tǒng)，其包括電源、視頻編碼器及解器碼、線路驅(qū)動(dòng)器、數(shù)字信號(hào)處理器 (DSP) 等等，這些子系統(tǒng)密切協(xié)作以產(chǎn)生視頻圖像。對(duì)觀眾來(lái)說(shuō)，最終結(jié)果是要擁有令人驚奇的高清晰度圖像質(zhì)量的超大屏幕全彩色視頻。雖然觀眾對(duì)某個(gè)視頻回放發(fā)出的 歡呼聲讓整個(gè)體育場(chǎng)為之震動(dòng)，但他們一點(diǎn)也不了解該視頻系統(tǒng)中由 LED 驅(qū)動(dòng)器實(shí)現(xiàn)的諸多功能。如果您仔細(xì)觀察一下顯示屏，您就會(huì)看到數(shù)以百計(jì)的單個(gè)視頻面板。再靠近一點(diǎn)，您會(huì)發(fā)現(xiàn)每個(gè)面板都包含 16X16 像素。每個(gè)像素由三個(gè) LED 組成：紅色、綠色和藍(lán)色。每個(gè) LED 的陽(yáng)極都電氣連接到一個(gè) LED 驅(qū)動(dòng)器的輸出。最終，這些數(shù)以萬(wàn)計(jì)的 LED 驅(qū)動(dòng)器會(huì)控制通過(guò)幾十萬(wàn)個(gè) LED 的正向電流來(lái)生成視頻圖像。

電氣設(shè)計(jì)人員面臨的挑戰(zhàn)是了解使用 LED 驅(qū)動(dòng)器控制 LED 電流的最佳方法。大多數(shù)高端 LED 驅(qū)動(dòng)器都為設(shè)計(jì)人員提供了多種控制其系統(tǒng)中 LED 電流的方法。這些驅(qū)動(dòng)器擁有一些幫助調(diào)低 LED 亮度的特性，例如：點(diǎn)校正 (DC)、脈寬調(diào)制 (PWM) 調(diào)光和全局亮度控制 (BC) 等。盡管這些特性均提供同一種基本功能即調(diào)節(jié) LED 亮度，但它們的使用卻不同。理解如何正確地利用這些特性是擁有最佳品質(zhì)視頻的關(guān)鍵。

模擬與 PWM 亮度調(diào)節(jié)的對(duì)比

在了解 LED 驅(qū)動(dòng)器的諸多高級(jí)特性以前，您首先必須了解降低 LED 亮度的兩種方法：模擬調(diào)光方法和脈寬調(diào)制 (PWM) 調(diào)光方法。模擬調(diào)光方法是指改變流經(jīng) LED 的正向電流。利用一半的電流驅(qū)動(dòng) LED 可降低一半的亮度。盡管并不是絕對(duì)的 1：1，但是 LED 亮度會(huì)隨著正向電流的變化而高度線性地變化。

在了解 LED 驅(qū)動(dòng)器的諸多高級(jí)特性以前，您首先必須了解降低 LED 亮度的兩種方法：模擬調(diào)光方法和脈寬調(diào)制 (PWM) 調(diào)光方法。模擬調(diào)光方法是指改變流經(jīng) LED 的正向電流。利用一半的電流驅(qū)動(dòng) LED 可降低一半的亮度。盡管并不是絕對(duì)的 1：1，但是 LED 亮度會(huì)隨著正向電流的變化而高度線性地變化。

圖 1 模擬調(diào)光與 PWM 調(diào)光的對(duì)比

點(diǎn)校正

LED 生產(chǎn)加工容差較難控制。對(duì)高質(zhì)量顯示較為重要的兩個(gè)主要 LED 特性是發(fā)光強(qiáng)度和光譜純度。不幸的是，每個(gè) LED 的這兩個(gè)特性都有可能差別很大，即使這些 LED 都來(lái)自同一家制造企業(yè)。在理想情況下，當(dāng)處理器命令 LED 驅(qū)動(dòng)器以相同電流開啟所有紅色 LED 時(shí)，它們便以相同亮度開啟。實(shí)際上，相同電流的 LED 存在極大的亮度差異。相同正向電流條件下，一個(gè)典型可購(gòu)得的 LED 部件型號(hào)具有 2：1 的亮度差異。

如果不對(duì)這種差異進(jìn)行補(bǔ)償，則 LED 面板的像素間亮度匹配就會(huì)非常的低。點(diǎn)校正 (DC) 提供了一款優(yōu)異的解決方案，來(lái)對(duì)這些發(fā)光強(qiáng)度差異進(jìn)行補(bǔ)償。術(shù)語(yǔ) DC 是指校正或者標(biāo)準(zhǔn)化某個(gè) LED 顯示器中每個(gè)像素（點(diǎn)）的強(qiáng)度。這是通過(guò)調(diào)節(jié)流經(jīng)每個(gè)單獨(dú) LED 的模擬電流來(lái)實(shí)現(xiàn)的。必須在面板生產(chǎn)出來(lái)以后在工廠中進(jìn)行初始 DC。測(cè)試設(shè)備測(cè)量 LED 發(fā)光強(qiáng)度，然后生成可編程到 IC 中的 DC 系數(shù)，從而達(dá)到調(diào)節(jié) LED 亮度的目的。

一個(gè)典型的 LED 驅(qū)動(dòng)器（如：TLC5946 等）利用單個(gè)電阻 Rset 設(shè)置每個(gè)輸出的最大 LED 電流。點(diǎn)校正使用模擬調(diào)光方法來(lái)調(diào)節(jié)電流至該最大電流的某個(gè)百分比。DC 校正位數(shù)越大，最終 LED 亮度匹配也就越緊密。一個(gè) 6 位 DC 具有 64 離散電流水平，其從 0mA 到 Rset 電阻定義的最大電流。這樣便可提供 1.59% 步長(zhǎng)的正向電流。一個(gè) 7 位 DC 具有 0.79% 步長(zhǎng)的正向電流。圖 2 顯示了一個(gè)成品面板點(diǎn)校正前后的亮度水平。

點(diǎn)校正以前，所有LED均具有相同的正向電流，其會(huì)導(dǎo)致 2：1 的亮度差異。實(shí)施點(diǎn)校正以后，LED 驅(qū)動(dòng)器以不同的電流來(lái)驅(qū)動(dòng)每個(gè) LED，使所有 LED 的亮度均相同。必須對(duì) DC 進(jìn)行精心地設(shè)計(jì)以使亮度水平降低到比面板中最暗 LED 更低的一個(gè)值，這一點(diǎn)非常重要應(yīng)該注意。在生產(chǎn)環(huán)境中，把許多面板組合到一起來(lái)生產(chǎn)出更大尺寸的顯示器，這時(shí)所有 LED 的亮度水平必須被設(shè)定為系統(tǒng)最暗 LED 的值或者更小。LED 的產(chǎn)品說(shuō)明書應(yīng)提供最小規(guī)定亮度范圍。

圖 2 點(diǎn)校正前后的 LED 亮度（圖片由 MDS 提供）

點(diǎn)校正還可用于調(diào)光整個(gè)顯示器的亮度。在陽(yáng)光明媚的正午時(shí)分，豎立在戶外的顯示屏使用全亮度可能較為適合，但在晚上或者室內(nèi)觀看時(shí)這一亮度可能就會(huì) 讓人受不了。通過(guò)將所有 DC 值減小至其原有值的某一百分比，可以實(shí)現(xiàn)全面板亮度調(diào)光。使用有 DC 功能的 IC 但卻沒(méi)有利用這種 DC 特性的某個(gè)系統(tǒng)，可以通過(guò)將所有 DC 值均編程為其最大值的一半，來(lái)獲得 50% 的亮度。利用 7 位點(diǎn)校正的 LED 驅(qū)動(dòng)器，可通過(guò)將所有 DC 值從 127 減小至 63，來(lái)獲得 50% 的亮度。下列方程式設(shè)定了使用 DC 時(shí)某個(gè) LED 的正向電流：

I_LEDx=Imax*DCx/2^n

其中：

• Imax 為由 Rset 設(shè)定的最大輸出電流
• DCx 為輸出 x 的點(diǎn)校正值
• n 為點(diǎn)校正位數(shù)

利用上述實(shí)例，Imax 等于 40 mA，DC 等于 63，則所有 LED 電流均被設(shè)置為 40 mA * 63 / 127 = 19.84 mA。

如果系統(tǒng)已經(jīng)利用 DC 特性來(lái)獲得統(tǒng)一的面板亮度，則 DC 仍然可以用于亮度調(diào)光。通過(guò)將 DC 值編程為原始值的一半，可以獲得 50% 的亮度調(diào)光。作為一個(gè)使用 7 位 DC LED 驅(qū)動(dòng)器的例子，如果 LED 要求一個(gè) 108 的 DC 值來(lái)設(shè)定其電流到獲得統(tǒng)一面板亮度所需的正確值，則可以通過(guò)將新的 DC 值編程為 54 來(lái)獲得 50% 的亮度調(diào)光。

使用 DC 調(diào)光點(diǎn)校正面板的缺點(diǎn)是它降低了亮度匹配有效位的有效數(shù)。

亮度控制

為了在允許全面板亮度調(diào)光的同時(shí)保持嚴(yán)格的亮度匹配，由于擁有一套單獨(dú)的亮度控制 (BC) 寄存器，一些高端 LED 驅(qū)動(dòng)器包括了單獨(dú)的全面板亮度調(diào)光 DC。同 DC 一樣，BC 也是通過(guò)模擬調(diào)光方法來(lái)實(shí)施的。兩者之間的差別是，DC 單獨(dú)對(duì)每個(gè) LED 調(diào)光，而 BC 則同時(shí)對(duì)許多 LED 調(diào)光。DC 和 BC 寄存器的數(shù)目和結(jié)構(gòu)均與 IC 相關(guān)。

例如，一款專為驅(qū)動(dòng) 3 組LED（每組 8 個(gè)）而設(shè)計(jì)的 24 通道 LED 驅(qū)動(dòng)器 TLC5951 便包括了 24 個(gè) DC 寄存器（每個(gè) LED 一個(gè)寄存器）。它包含 3個(gè) BC 寄存器，每組 LED 一個(gè) BC 寄存器。這與專為驅(qū)動(dòng) 16 個(gè)同色 LED 而設(shè)計(jì)的 16 輸出 LED 驅(qū)動(dòng)器 TLC5943 不同，TLC5943 包括了 16 個(gè)內(nèi)部 DC 寄存器。它具有一個(gè)同時(shí)調(diào)光 16 個(gè)輸出的單 BC 寄存器。將 DC 和 BC 功能分離開可在繼續(xù)允許全面板亮度調(diào)光的同時(shí)，獲得對(duì) LED 亮度匹配的精確控制。同時(shí)在包括 DC 和 BC 的 IC 中，LED 電流由兩個(gè)寄存器值的組合來(lái)定義：

I_LEDx=Imax*(DCx/2^n)*(BC/2^m)

其中：

• Imax 為由 Rset 設(shè)定的最大輸出電流
• DCx 為輸出 x 的點(diǎn)校正值
• N 為點(diǎn)校正位數(shù)
• BC 為全局亮度值
• M 為亮度校正位數(shù)

PWM 調(diào)光

精確亮度控制只是高質(zhì)量視頻要求的一個(gè)方面，第二個(gè)方面是精確的色彩匹配。前一代顯示器使用模擬調(diào)光方法設(shè)置 LED 亮度級(jí)別來(lái)實(shí)現(xiàn)混色，其對(duì)色彩質(zhì)量產(chǎn)生許多不利影響。圖 3 顯示了 LED 的色彩隨正向電流變化而變化。圖 3 中"真"綠色 LED 定義了其全亮度的色彩，也即該指定 LED 電流為 20 mA。利用模擬調(diào)光方法來(lái)獲得 25% 亮度，要求 5 mA 的正向電流。這樣便將色譜從 525 nm 變到 531 nm，這在一些要求真色彩顯示的顯示器中可能無(wú)法接受。

圖 3 色彩隨正向電流的變化而變化（圖片由 Osram 提供："調(diào)光 InGaN LED"）

脈寬調(diào)制 (PWM) 亮度調(diào)光或灰度 PWM 調(diào)光，可消除調(diào)光 LED 相關(guān)的色彩改變。這種調(diào)光將精確 LED 色彩保持在低亮度水平，其為產(chǎn)生高質(zhì)量視頻的關(guān)鍵。無(wú)論 LED 的亮度水平如何，都要保持流經(jīng) LED 的恒定電流，這樣 PWM 調(diào)光方法便可消除 LED 色彩改變。彩色顯示器的每個(gè)像素都產(chǎn)生自三種 LED：紅色、綠色和藍(lán)色。通過(guò)同時(shí)脈沖和混合紅色、綠色和藍(lán)色LED，像素便能夠產(chǎn)生高達(dá) 687 億種顏色。下列舉例說(shuō)明了 PWM 調(diào)光方法。

為了簡(jiǎn)單起見(jiàn)，該示例假設(shè)只有 3 位 PWM 調(diào)光。3 位相當(dāng)于 23 = 8 色度，因此可以對(duì)每個(gè) LED 進(jìn)行編程讓其在從 0 到 7 PWM 灰度步長(zhǎng)的任何地方保持"開啟"。每個(gè)視頻幀均以所有 LED "關(guān)閉"作為開始。在首個(gè) PWM 時(shí)鐘上升沿，所有 LED"開啟"，但那些 0 灰度值編程的 LED 除外。IC 在每個(gè) PWM 時(shí)鐘周期之初便增量灰度計(jì)數(shù)器。所有 LED 均保持開啟，直到 PWM 灰度計(jì)數(shù)器達(dá)到 LED 編程 PWM 值以上為止。

圖 4 描述了這一過(guò)程，其顯示了簡(jiǎn)化的 3 位 PWM 調(diào)光控制器的波形和結(jié)構(gòu)圖（請(qǐng)參見(jiàn)圖 5）。將紅色、綠色和藍(lán)色 LED 的灰度值分別編程設(shè)定為 7、4 和 1，屏幕上便會(huì)產(chǎn)生一個(gè)橙色像素。設(shè)定為灰度值 4 的綠色 LED 在首個(gè) PWM 時(shí)鐘周期上升沿處開啟，并保持 4 個(gè)完整 PWM 時(shí)鐘周期。這個(gè) 3 位 PWM 調(diào)光方法示例可以產(chǎn)生每個(gè)像素 23 * 23 * 23 = 512 種顏色。將這種計(jì)算方法擴(kuò)展到 16 位 LED 驅(qū)動(dòng)器（例如：TLC5943），便會(huì)產(chǎn)生 216 * 216 * 216 = 281 萬(wàn)億種顏色。

圖 4 每個(gè) LED 開啟以產(chǎn)生一個(gè)橙色像素的時(shí)間

圖 5 表明 3 位 PWM 調(diào)光如何產(chǎn)生一個(gè)橙色像素的結(jié)構(gòu)圖

點(diǎn)校正、亮度控制和 PWM 調(diào)光一起正確使用時(shí)，大屏幕上的圖像便能完美無(wú)暇。正是因?yàn)檫@一周到的設(shè)計(jì)，觀眾會(huì)對(duì)大屏幕上的視頻重播驚嘆不已，但他們并不了解為了正確匹配像素到像素亮度，讓顯示器亮度同周圍光線環(huán)境相適應(yīng)，然后混合色彩產(chǎn)生完美畫面所付出的心血和努力。