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提升屏幕影像畫質 LED調光技術關鍵至極

發(fā)布時間:2012-05-04

中心議題:
  • 探究提升屏幕影像畫質的方法
解決方案:
  • 采用模擬/PWM調光以降低LED亮度
  • 利用PWM調光以低亮度維持色彩

視訊廣告板、超大屏幕等需要電源供應、視訊編碼器、譯碼器、線路驅動器、數(shù)字信號處理器(DSP)等大量小型子系統(tǒng)共同運作,才能提供視訊影像,卻鮮少人洞悉顯示系統(tǒng)中發(fā)光二極管(LED)驅動器的功能。

如果仔細觀看視訊屏幕,會發(fā)現(xiàn)其中有數(shù)百個視訊面板,再更靠近一點,會發(fā)現(xiàn)各個面板有縱橫各十六條畫素,每個畫素由三個LED所組成,分別是紅色、綠色、 藍色。各個LED的陽極都連接到LED驅動器的輸出,這些成千上萬的LED驅動器透過數(shù)十萬個LED控制正向電流,才產生出視訊影像。

電子設計人員的挑戰(zhàn)在于如何使用LED驅動器有效控制LED電流,大多數(shù)高階LED驅動器能藉由多種方法控制系統(tǒng)中的電流,許多驅動器具有可調整LED亮 度的功能,例如點修正(DC)、脈沖寬度調變(PWM)調光及全局亮度控制(BC)。雖然這些功能可發(fā)揮相同的基本效用,也就是調整LED亮度,不過各自 原有的用途皆不相同,只有了解如何適當使用這些功能,才能提供最佳畫質的視訊。

模擬/PWM調光 降低LED亮度


了解LED驅動器的進階功能之前,必須先了解兩種降低LED亮度的方法,分別是模擬調光和PWM調光。模擬調光是指改變通過LED的正向電流,若以一半的電流驅動LED,其亮度也隨之減半。雖然無法確實達到1:1的比例,LED亮度和正向電流大致呈現(xiàn)線性關系。

PWM調光是指藉由開啟及關閉電流,以變更電流的脈沖寬度,而非振幅。LED亮度可透過開啟LED的時間百分比或負載周期加以控制。肉眼只能感受到大約 60Hz以下的頻率響應,若以高于60Hz的速率開啟及關閉LED,肉眼只能感受到平均的LED亮度。大部分的顯示器都采用100Hz以上的PWM調光。 對于固定PWM調光頻率,負載周期減少會導致LED亮度降低。圖1顯示將20毫安(mA)LED調光至25%亮度時,模擬調光及PWM調光兩者的比較,這 兩個LED的亮度都相同。

圖1 模擬調光與PWM調光

點修正改變發(fā)光強度/頻譜

LED制造處理容差相當不易控制,對于高質量顯示器而言,兩個主要的LED特性是發(fā)光強度和頻譜純度。不過,不同LED所呈現(xiàn)的特性差異極大,即使是相同 的LED制造批次也是如此。在理想的情況下,處理器運用LED驅動器以相同電流開啟所有紅色LED時,可達到相同的亮度。然而事實上,以相同電流驅動 LED,亮度會有極大的差異。市面上一般的LED零件以相同的正向電流驅動時,會呈現(xiàn)2:1的亮度差異。

如果不處理如此差異,LED面板會有極不佳的畫素間亮度匹配,而點修正可有效處理發(fā)光強度的差異。點修正是指將LED顯示器中各畫素或點的密度加以修正或 正?;U{整通過個別LED的模擬電流即可達到如此的效果。面板制造完成后,必須在原廠進行第一次點修正。測試設備可測量LED密度,并產生設定于IC之 上的點修正系數(shù),以調整LED亮度。

一般LED驅動器可針對單一電阻的各個輸出設定LED電流上限。點修正使用模擬調光,將電流調整為電流上限的百分比程度。點修正所調整的位計數(shù)愈多,最終 的LED亮度愈一致。6位點修正可提供從0毫安到Rset電阻定義電流上限的六十四種不同電流層級,能逐步以1.59%的比例調整正向電流;7位點修正能 逐步以0.79%的比例調整正向電流。圖2顯示量產面板經過點修正前后的亮度。

圖2 點修正前后的LED亮度
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進行點修正前,所有LED都有相同的正向電流,因此造成2:1的亮度差異。進行點修正后,LED驅動器能以不同的電流驅動所有LED,使LED達到相同的 亮度。值得注意的是,點修正必須能將亮度調整為低于面板中最暗LED的值。在許多面板合并為大型顯示器的生產環(huán)境中,必須將所有LED的亮度設定為等于或 低于系統(tǒng)中最暗LED的亮度,因此LED的數(shù)據表應該提供指定的亮度范圍下限。

點修正也可用來調整整個顯示器的亮度。在正午陽光充足的戶外可使用全亮度,不過相同的亮度對于夜間或室內就顯得亮度過高。將所有點修正值降低至先前值的百 分比程度,也可降低整體面板亮度。如果系統(tǒng)使用點修正的IC,但不運用點修正功能,則將所有點修正值設定為上限值的一半,即可達到50%的亮度。對于經過 7位點修正的LED驅動器,將所有點修正值從一百二十七降低至六十三,即可達到50%的亮度。以下等式可設定使用點修正時LED的正向電流:

其中Imax是Rset設定的輸出電流上限,DCx是輸出x的點修正值,n是點修正的位數(shù)。對于以上范例,Imax等于40毫安,DC等于六十三,所有LED電流即設定為40毫安×63/127=19.84毫安。

如果系統(tǒng)已使用點修正功能達到一致的面板亮度,仍可使用點修正進行調光。將點修正值設定為原始值的一半,可達到50%的調光效果。以7位點修正LED驅動 器為例,如果LED需要一百零八的點修正值,將電流設定為一致面板亮度所需的正確值,則將新的點修正值設定為54,即可調整為50%的亮度。

使用點修正調光點修正面板亮度的缺點是,亮度匹配的可用位有效數(shù)目會減少。

亮度控制精準匹配亮度


為了維持確實的亮度匹配,同時達到整體面板的調光,高階LED驅動器提供BC的個別緩存器,以達到整體面板調光之外的個別點修正效用。和點修正一樣,亮度 控制也是透過模擬調光進行。這兩者的差異在于,點修正可調整個別的LED,而亮度控制可同時調整多個LED。點修正及亮度控制緩存器的數(shù)目及配置均與IC 有關。

舉例來說,驅動八顆LED為一組的三個LED組所用的二十四信道LED驅動器包含二十四個點修正緩存器(每一個各用于個別 LED),其中包含三個亮度控制緩存器,每一個各用于個別LED組。另外還有十六個輸出LED驅動器可驅動十六個相同色彩的LED,其中包含十六個內部點 修正緩存器,并包含一個亮度控制器緩存器,可同時調整所有十六個輸出。區(qū)別點修正及亮度控制的功能有助于精準控制LED亮度匹配,同時可進行整體面板的調 光。在包含點修正及亮度控制的IC中,LED電流是由兩種緩存器的值共同定義: 其中Imax是Rset設定的輸出電流上限,DCx是輸出x的點修正值,n是點修正的位數(shù),BC是全局亮度值,m是亮度修正的位數(shù)。

PWM調光以低亮度維持色彩

精準亮度控制只是高畫質視訊中的一個環(huán)節(jié),第二個環(huán)節(jié)是正確的色彩匹配。舊款顯示器使用模擬調光來設定色彩混合的LED亮度,對于色彩質量有負面的影響。 圖3顯示正向電流的變化和LED色彩變化間的關系。圖3的真實綠色LED針對此一特定LED定義全亮度(20毫安)的色彩。若要使用模擬調光達到25%的 亮度,需要5毫安的正向電流。這使得色譜從525奈米(nm)變成531奈米,對于須要呈現(xiàn)真實色彩的顯示器而言,這是無法接受的程度。


圖3 數(shù)據源:Osram「InGaN LED 調光」色彩變化與正向電流的關系
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PWM調光又可以稱作灰階PWM調光,可消除LED調光有關的色彩變化。這類調光能以呈現(xiàn)高畫質視訊所需的低亮度,維持正確的LED色彩。不論LED的亮 度為何,PWM調光都能使通過LED的電流保持一致,以消除LED色彩變化。彩色顯示器的各個畫素是由三個LED所組成,分別為紅色、綠色、藍色。藉由同 時進行紅色、綠色及藍色LED的脈沖與混合,畫素便能呈現(xiàn)多達六百八十七億種色彩。以下范例將說明PWM調光。

為求簡單明了,此范例僅使用PWM調光的三個位。3個位等于23=8個陰影色度,因此各個LED可設定為0~7PWM灰階程度。各個視訊框開始時,所有 LED均全部熄滅。在第一個PWM頻率的上升邊緣,所有LED都會亮起,只有以0灰階值設定的LED未亮起。各個PWM頻率周期開始時,IC便會增加灰階 計數(shù)器。各個LED會持續(xù)亮起,直到PWM灰階計數(shù)器超過LED設定的PWM值為止。

圖4 各個LED亮起以呈現(xiàn)橘色畫素的時間長度

圖4顯示此一程序,其中呈現(xiàn)簡化的3位PWM調光控制器的波形及區(qū)塊示意圖(圖5)。將紅色、綠色及藍色LED的灰階值分別設定為七、四及一,可在畫面上 呈現(xiàn)橘色畫素。設定為四灰階值的綠色LED會在第一個PWM頻率周期的上升邊緣亮起,并且經過四個完整PWM頻率周期持續(xù)亮起。這個3位PWM調光范例能 針對各畫素產生五百一十二(23×23×23)種色彩。對于16位LED驅動器,則可產生兩百八十一兆(216×216×216)種色彩。

圖5 顯示3位PWM調光如何產生橘色畫素的區(qū)塊示意圖

適當搭配使用點修正、亮度控制及PWM調光,大屏幕上的影像更加完美無暇。如此完美的設計,使群眾對于大屏幕播放的影像產生響應,而對于為了達到畫素間亮度匹配、使顯示器亮度配合環(huán)境光線條件、混合色彩以呈現(xiàn)完美影像等方面的關注與努力,則悄然潛藏在光彩奪目的熒光幕后
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