在RGB顯示器中生成一致的LED亮度(圖)

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。隨著LED效率與亮度的增加以及成本的減少，LED有可能會取代消費類應(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時所面對的一些設(shè)計挑戰(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LED。在每一顯示陣列中，各LED(也稱為像素)的亮度會有很大的差異，最亮和最暗LED之間的亮度差有時甚至能高達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“點校正”功能的高質(zhì)量LED驅(qū)動器。
LED供應(yīng)商提供經(jīng)過匹配的LED并收取一定的額外費用。他們測試后再將這些RGB(紅、綠、藍)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，但每個像素隨時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，新?lián)Q上的面板的亮度在視覺上也會和其他面板有差異。
高端顯示系統(tǒng)對亮度匹配的要求很高，因此僅采用LED匹配這種方法還遠遠不夠。為在顯示單元的整個壽命周期內(nèi)獲得像素與面板亮度的一致性，廠商們普遍采用帶有點校正功能的高級LED驅(qū)動器。點校正是一種通過調(diào)整流入陣列中每個LED的電流來控制像素亮度的方法。利用點校正功能，處理器可以控制流入LED面板的所有電流，同時LED驅(qū)動器可調(diào)整供給每個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)。為實現(xiàn)點校正，廠商通過照相來測量每個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行比較。為進行這種校正，供給每個像素的電流都乘以一個和LED光強成正比的小數(shù)(或分數(shù))。在像TI TLC5940中，每個LED的點校正值在每個刷新周期內(nèi)都可以有很大的不同，并能存儲在集成EEPROM中。這種“雙點校正”方法可提供讓整個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校正信息，來確保面板亮度的一致性。亮度指標會隨時間而改變，EEPROM中的數(shù)據(jù)可以進行重新校正，若面板出現(xiàn)故障要求更換，EEPROM中的數(shù)據(jù)也可以進行重寫。下面用一個具體例子來闡述這種方法。
為簡單起見，只考慮由多個面板及數(shù)千個LED像素組成的完整顯示系統(tǒng)中一種顏色的16個LED。視頻面板中綠像素的亮度指標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LED均具有至少80mcd的亮度。對于像TLC5940這樣的芯片，可用一個電阻來設(shè)置每片IC的最大電流，使每片IC都能驅(qū)動16個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，在未進行點校正前，所測得的面板中每個LED之間的亮度差可高達±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LED進行調(diào)整或進行點校正以產(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位的點校正(即64步)步進，對應(yīng)于每步1.56%的滿量程分辨率。


圖1 點校正前的 LED亮度與正向電流直方圖


圖2 點校正后的LED亮度與正向電流直方圖
用下式可計算出每個LED的點校正值。


其中DCproduction為生產(chǎn)時所需的點校正值，Lbaseline為所需的亮度水平，而Linitial則是在最大電流上測得的亮度。
先將計算得到的點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校正系數(shù)，即得到更新后的LED亮度值。


在計算并存儲每個LED的點校正數(shù)據(jù)后，即可將LED驅(qū)動器編程為其最大電流，以使LED驅(qū)動器自動調(diào)整供給每個LED的電流，這便產(chǎn)生了如圖2所示的直方圖。如果將點校正數(shù)據(jù)編程至TLC5940芯片的EEPROM中，則