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    在RGB顯示器中生成一致的LED亮度

    2006-04-17 德州儀器公司

          發光二極管(LED)在各種終端設備中已經被廣泛使用,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背光等最新應用,LED的迅速采用使得最普通的設備也需要重新設計。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用中的傳統照明技術。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,闡述如何解決在使用LED時所面對的一些設計挑戰。
          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應用的通病,但在一些要求有像素一致性的高質量顯示系統中顯得尤為突出。為彌補這種差異,廠商通常采用兩種辦法:一是從供應商處購買經過匹配的或經過篩選的LED;二是采用帶有“點校正”功能的高質量LED驅動器。
          LED供應商提供經過匹配的LED并收取一定的額外費用。他們測試后再將這些RGB(紅、綠、藍)發光二極管與可在規定電流上產生相似亮度的LED組合在一起。利用這種方法雖可以最少的設計工作量來為低端照明系統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,各像素的亮度將無法再保持一致。另外,當需要更換有缺陷的面板時,新換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驅動器。點校正是一種通過調整流入陣列中每個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驅動器可調整供給每個LED的電流并產生一致的亮度。因此就不再需要查找表,也不需要LED在每個刷新周期的復雜倍乘任務,處理器可以把節省下來的資源用來執行其他任務。為實現點校正,廠商通過照相來測量每個LED的亮度。系統中最暗的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(或分數)。在像TI TLC5940中,每個LED的點校正值在每個刷新周期內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中的數據可以進行重新校正,若面板出現故障要求更換,EEPROM中的數據也可以進行重寫。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千個LED像素組成的完整顯示系統中一種顏色的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,可用一個電阻來設置每片IC的最大電流,使每片IC都能驅動16個LED。該電阻值必須能將電流設置成足夠高,以使最暗的LED也能產生80mcd的亮度。因此,根據LP E675的數據資料,芯片必須有43mA的驅動電流才能產生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進行調整或進行點校正以產生一致亮度的相應數據。例如,當對滿亮度編程后,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
          其中DCproduction為生產時所需的點校正值,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,然后再將原始亮度乘以新的點校正系數,即得到更新后的LED亮度值。
          在計算并存儲每個LED的點校正數據后,即可將LED驅動器編程為其最大電流,以使LED驅動器自動調整供給每個LED的電流,這便產生了如圖2所示的直方圖。如果將點校正數據編程至TLC5940芯片的EEPROM中,則當面板每次開機時即可加載點校正數據,而且會一直保留至面板下一次被再校準為止。
          對于室內或室外工業用視頻顯示器,例如廣告牌及大屏幕顯示器等,光有靜態調整(即校準后保持不變,直到手動調整為止)還不夠。這種面板調整是顯示器日常維護程序中的一部分。而新興市場應用則對此提出了更大的挑戰。隨著該技術進入到消費電子產品及家庭中,又如何來控制并調整LED隨時間的改變呢?
          盡管這種發展仍處于初級階段,但現在已有一些顯示器采用了此項技術。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來產生“可調的”白光。與傳統燈泡相比,LED背光擁有很多優勢:更高的功率效率、更少的運動畫面拖影、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的色溫等,其畫面質量非常高。盡管在亮度變化方面電視機工程師遇到了和傳統面板制造者一樣的挑戰,他們還必須著重考慮溫度變化問題,因為電視背光應用對LED亮度隨溫度變化的改變很敏感。此外,電視機僅當其背光性質被調整為滿足每位消費者起居室各不相同的環境照明條件時,才能達到其最佳顯示質量。再加上消費應用的特點,便向人們提出了對動態亮度調整的需求。
         為創造這種動態調整環路,需要使用幾個測量LED溫度及亮度變化的內部傳感器,以及測量環境條件改變的外部傳感器。以其最基本的形式,控制環路以這些傳感器采集數據,并將這些數據輸入至處理器中開始,然后處理器再對這些數據進行評估,并向TLC5940等LED驅動器芯片提供智能校正功能。此外,處理器還通過結合原始工廠校準點校正值與新的動態數據來產生更新后的點校正數據。
         還用前面的示例,假如環境亮度表測得僅需70%的滿亮度或56mcd的環境照明條件,則處理器會算出新的44.8的環境光點校正值。如果由于溫度上升而使LED亮度下降10%,則處理器會計算71.1的溫度點校正值。結合所有這三種點校正值來產生新的點校正數據,即可對這三種亮度變化進行補償。運用48的組合點校正值即可得到56mcd的期望亮度。請注意,由于溫度引起亮度下降,故本計算中的起始電流被設置為起始生產電流的90%。
         只有可提供并能組合運用動、靜態點校正方法的高級LED驅動器,才能提供針對消費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中,LED采用串聯方式減少控制單個LED的所需資源。要設計對背光顯示單元的全動態控制,需對單個LED進行控制。因此,LED廠商目前正在開發可實現更靈活陣列配置的先進技術。
          用于電視機的智能背光,是下一項將應用到家庭的創新技術,將使電視機的畫面質量大幅度提高,改善人們在使用中的視覺體驗。


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