顯示屏背光源的管理方案介紹

背光是顯示系統(tǒng)中耗電量最大的部分，除了特別大的屏幕，LED已經(jīng)幾乎在大部分顯示屏中取代了CCFL，大幅降低耗電量，但如果不加以有效管理，背光仍然會(huì)過度消耗電源。本文主要介紹LED背光的興起，并分析能夠擺脫背光需求的OLED顯示技術(shù)。

OLED電源管理

OLED顯示屏的能源消耗值并不是固定的，而是取決于當(dāng)時(shí)顯示的圖像。典型視頻和圖片顯示應(yīng)用時(shí)，實(shí)現(xiàn)全部像素充分發(fā)光所消耗的功率只有理論“最大”值的25%.對(duì)功耗要求嚴(yán)格的應(yīng)用來說，還可通過圖像設(shè)計(jì)來降低功耗。例如，以負(fù)性模式（黑底白字）顯示圖像比正性模式（白底黑字）要更加節(jié)能，因?yàn)橹恍枰獑?dòng)約十分之一的像素。

像素明亮度也影響著功耗。節(jié)省能源的方法既包括在環(huán)境光允許條件下降低所有像素明亮度，也包括對(duì)環(huán)境光敏感的明亮度管理，如把菜單中無法選擇的選項(xiàng)調(diào)暗等操作。降低明亮度還可延長顯示屏壽命。當(dāng)電源要求非?？量虝r(shí)，也可以考慮改變常用菜單顏色，因?yàn)榧t色和綠色像素要比藍(lán)色更加節(jié)能。

由于OLED像素的電容特性，刷新頻率對(duì)功耗也有影響。很高的幀頻會(huì)增加充電周期次數(shù)，進(jìn)而增大功耗，同時(shí)也會(huì)讓顯示變暗，因?yàn)橄袼卦诿看嗡⑿轮芷谥袥]有時(shí)間充分充電。在不導(dǎo)致可視圖像“抖動(dòng)”的前提下，刷新速率設(shè)置應(yīng)盡量壓低。通常來講，比較合適的刷新頻率為75赫茲，不過有時(shí)候低達(dá)60赫茲也可以蒙混過關(guān)。

因?yàn)镺LED是放射式技術(shù)，持續(xù)使用中像素退化過程會(huì)非常緩慢。一方面可以使用待機(jī)模式和超時(shí)模式來放緩老化過程，另一方面也可以考慮設(shè)置屏保。屏保中使用的像素?cái)?shù)目和像素明亮度可以根據(jù)上述介紹進(jìn)行管理。
 


圖1：諾基亞N85電話，OLED顯示屏

OLED——無背光技術(shù)

LCD的驅(qū)動(dòng)自身消耗能源極低，而且顯示系統(tǒng)的能耗幾乎全部為背光所需，只要電源不關(guān)掉，背光通常會(huì)照亮所有顯示區(qū)域。

相比之下，OLED是放射式技術(shù)。每一個(gè)像素都放射出自己的光，未啟動(dòng)時(shí)不會(huì)發(fā)光，幾乎不耗能。與背光LCD顯示屏不同，OLED能夠產(chǎn)生真正意義上的黑色，對(duì)比度大幅提高，通常為10000：1，而傳統(tǒng)的TFT顯示屏則為400：1.OLED也更加明亮，其中一個(gè)原因是LCD顯示屏的成對(duì)偏光片會(huì)過濾掉背光放射出的一半燈光，而OLED不需要成對(duì)偏光片。
 

圖2

從審美角度看，OLED技術(shù)憑借強(qiáng)化后的明亮度和對(duì)比度也絕對(duì)優(yōu)于LCD.OLED顯示屏的反應(yīng)時(shí)間通常是50μs，而LCD是25ms，這意味著OLED全動(dòng)態(tài)視頻速度得到提升，灰階再現(xiàn)品質(zhì)大幅優(yōu)化。

根據(jù)上述原因，雖然OLED成本更高，壽命更短，但越來越多造型/性能很酷的消費(fèi)產(chǎn)品對(duì)此加以采用，比如索尼的X系列Walkman隨身聽，諾基亞N85和微軟Zune HD等產(chǎn)品。OLED技術(shù)也出現(xiàn)在工業(yè)市場(chǎng)上，配以開發(fā)和評(píng)估工具包，適用于各種型號(hào)（0.79至7.0英寸）和分辨率（64×48至480×272）。
LED背光的優(yōu)勢(shì)與缺陷

LED背光目前已是10.4英寸以下工業(yè)顯示板標(biāo)準(zhǔn)，甚至在15英寸以下也可選擇。由于LED使用直流供電，驅(qū)動(dòng)更簡(jiǎn)單，無需換流器，效率得到提升，電源消耗隨明亮度增加約成線性增長，簡(jiǎn)化了電源管理。因此，大多數(shù)中小型顯示屏目前都安裝了LED.

雖然LED背光擁有明顯優(yōu)勢(shì)，但也存在一些缺陷。白色LED并不是真正意義上的白色，實(shí)際上是藍(lán)色LED加黃磷產(chǎn)生的白光，光譜曲線上綠色和紅色部分中存在間隙。為實(shí)現(xiàn)最佳色彩平衡，質(zhì)量上乘的LCD顯示屏安裝的是RGB背光。

不管型號(hào)大小如何，大多數(shù)顯示屏都需要一個(gè)以上的LED才能實(shí)現(xiàn)可接受的明亮度，不同LED之間的亮度均勻性則更難實(shí)現(xiàn)，特別是當(dāng)LED老化時(shí)問題更加嚴(yán)重。電源效率也是要考慮的問題。制造商使用MEMS和其他光導(dǎo)技術(shù)將光照擴(kuò)散到更大的區(qū)域，實(shí)現(xiàn)最大明亮度和均勻度。

實(shí)現(xiàn)LED背光利用最大化LCD顯示屏的性能各不相同，重點(diǎn)參數(shù)包括明亮度、對(duì)比度和可視角度。明亮度的標(biāo)準(zhǔn)較為規(guī)范，由黑暗房間內(nèi)背光驅(qū)動(dòng)最大化、所有像素呈白色情況下每平方米坎德拉數(shù)確定。對(duì)比度數(shù)值比較起來相對(duì)難一些，因?yàn)殛P(guān)于對(duì)比度存在不同的解釋，不過基本上都是將系統(tǒng)能夠呈現(xiàn)的最亮色彩（白色）與最暗色彩（黑色）的亮度相比較。可視角度則比較主觀。

顯示明亮度受到TFT顯示屏傳輸率的影響。每個(gè)像素都由薄膜晶體管所控制，但晶體管會(huì)將該像素的一小部分遮蔽住。通過使用低溫多晶硅（LTPS）等技術(shù)，能夠縮小該晶體管的規(guī)模。

根據(jù)性能數(shù)據(jù)，可以列出一些顯示屏以供選擇，但如果要求在苛刻條件下也要實(shí)現(xiàn)良好可見度，對(duì)電能消耗也有要求的話，最佳建議是在若干不同顯示屏上模擬實(shí)際應(yīng)用，在每個(gè)案例中衡量背光電源，其中要考慮顯示屏使用環(huán)境的環(huán)境光、可能的可視角度等因素。有時(shí)候?qū)Τ休d關(guān)鍵信息的色彩進(jìn)行改變也會(huì)對(duì)顯示性能產(chǎn)生影響。

小結(jié)

當(dāng)今世界便攜式產(chǎn)品一方面要求降低能耗、重量和成本，而另一方面要求添加多媒體功能，連最單調(diào)的測(cè)量測(cè)試系統(tǒng)也要進(jìn)行美觀設(shè)計(jì)，導(dǎo)致兩方面存在著矛盾沖突。移動(dòng)電話市場(chǎng)就像一個(gè)大試驗(yàn)場(chǎng)，各種旨在調(diào)和雙方矛盾的新技術(shù)都可以拿到市場(chǎng)上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。當(dāng)年LED背光首先就應(yīng)用在移動(dòng)電話顯示屏上，現(xiàn)在已經(jīng)成為工業(yè)市場(chǎng)上中小型顯示屏的普遍標(biāo)準(zhǔn)。OLED技術(shù)似乎也會(huì)遵循同樣的發(fā)展道路。