彩色LED背光源調(diào)頻調(diào)光與混色方法

楊宗陽1,劉 波2,3,4,章小兵2,3,4,5,祁凌云2,3,4?

(1.總參陸航部軍事代表局駐南京地區(qū)軍事代表室,江蘇南京211100; 2.中航華東光電有限公司,安徽蕪湖241002; 3.特種顯示國家工程實(shí)驗(yàn)室,安徽蕪湖241002; 4.國家特種顯示工程技術(shù)研究中心,安徽蕪湖241002; 5.安徽工業(yè)大學(xué)電氣信息學(xué)院,安徽馬鞍山243002)

彩色LED背光源調(diào)頻調(diào)光與混色方法

楊宗陽1,劉 波2,3,4,章小兵2,3,4,5,祁凌云2,3,4?

(1.總參陸航部軍事代表局駐南京地區(qū)軍事代表室,江蘇南京211100; 2.中航華東光電有限公司,安徽蕪湖241002; 3.特種顯示國家工程實(shí)驗(yàn)室,安徽蕪湖241002; 4.國家特種顯示工程技術(shù)研究中心,安徽蕪湖241002; 5.安徽工業(yè)大學(xué)電氣信息學(xué)院,安徽馬鞍山243002)

介紹了一種使用橙、綠、藍(lán)三基色LED燈作為背光燈的平板顯示模塊背光源。本背光源亮度的調(diào)節(jié)通過變頻調(diào)光技術(shù)實(shí)現(xiàn)。最終的標(biāo)準(zhǔn)白色光利用這種三色燈的調(diào)光脈沖高電平時(shí)間混色的方法得到,并按照光傳感器輸出的數(shù)據(jù)來微調(diào)三色燈調(diào)光脈沖高電平時(shí)間。這種調(diào)光與混色的方法可以有效改善由于溫度變化帶來的背光源亮度、色溫變化與色坐標(biāo)漂移。

LED背光;混色;調(diào)光

1 引 言

目前,LED技術(shù)已普遍應(yīng)用并發(fā)展到相當(dāng)成熟的程度。同時(shí),各種彩色LED也日漸研發(fā)成熟,同時(shí)帶來了成本的大幅下降。由于橙綠藍(lán)三種顏色LED燈混和出的背光,色域?qū)?顏色還原能力強(qiáng)。因此,多顏色LED混色背光技術(shù)是目前研究的熱點(diǎn)問題。

LED電路通常使用的電源驅(qū)動(dòng)方式有電感開關(guān)電源[1-2]、電容開關(guān)電源[3]、線性電源[4-5]、開關(guān)電源和線性電源聯(lián)合驅(qū)動(dòng)的方式[6],文獻(xiàn)[7]介紹了一種用光耦器件調(diào)節(jié)LED燈串電流的方式。

電感開關(guān)電源因其驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)和效率高的特點(diǎn),通常用在大功率驅(qū)動(dòng)場合,電路中有較大的紋波和地彈,需具備電磁兼容設(shè)計(jì)措施。電容開關(guān)電源即電荷泵電路,驅(qū)動(dòng)電流有限,一般小于300 m A[3],輸出電壓一般不超過輸入電壓的3倍。

線性電源驅(qū)動(dòng)一般用于電磁兼容要求高的情況,這是由于其幾乎不存在紋波與地彈,因而對電路的干擾程度較小。合理選擇LED燈串聯(lián)的個(gè)數(shù),可以使線性電源的效率＞80%。

多彩燈混色可以采用調(diào)流方式和調(diào)占空比方式,彩燈按照一定亮度比例進(jìn)行混色得到白色光源。

日本曾經(jīng)在2000年推出了多芯片型LED背光產(chǎn)品。此后,各大主流公司相繼研發(fā)出以多芯片型LED為背光的高性能LCD。關(guān)于混色實(shí)現(xiàn)方法,目前可查閱文獻(xiàn)不多。文獻(xiàn)[8]中采用多階線性擬合的方法實(shí)現(xiàn)配色,由于液晶屏、光學(xué)模組等差異導(dǎo)致各液晶顯示模塊存在差異,針對每塊液晶顯示模塊標(biāo)定線性擬合系數(shù)是一件繁雜的工作,不利于批量生產(chǎn)。因此尋求一種方便的混色方式是必要的。

2 調(diào)頻調(diào)光電路框圖

LED燈采用橙、綠和藍(lán)三色合一方法,三色燈均為八燈一串。表1為電流為20 m A時(shí),三色燈的電壓值。

橙燈需要先用降壓芯片把28 V降至19 V,然后驅(qū)動(dòng)橙燈,以提高橙燈線性恒流源的工作效率。

表1 典型電流值時(shí)的電壓值(常溫)Tab.1 Voltage on typical electricity(normal temperature)

圖1 調(diào)頻調(diào)光混色電路框圖Fig.1 FM&diming and color mixing circuit diagram

如圖1所示,橙色、綠色與藍(lán)色LED燈均使用一路線性恒流源驅(qū)動(dòng)的方式,每一路的總和電流為200 m A,來保證每一串燈的電流均為20 m A。每一路的線性恒流源均獨(dú)立采用調(diào)頻調(diào)光信號,具有相同的頻率與不同的占空時(shí)間,并以FPGA作為控制器,采樣顏色傳感器的數(shù)據(jù)來控制高電平的占空時(shí)間進(jìn)行混色。根據(jù)上位機(jī)的調(diào)光指令調(diào)整工作頻率,控制背光亮度。

3 調(diào)頻調(diào)光

要求LED背光源用3種顏色的背光燈亮度按一定的比例進(jìn)行混合,得到色溫在6 500 K左右,色坐標(biāo)u′＝0.198,v′＝0.468的標(biāo)準(zhǔn)白色光源,見圖2。調(diào)頻調(diào)光的步驟如下:

圖2 USC色度圖(1976)Fig.2 USC chroma(1976)

3.1 構(gòu)造調(diào)頻時(shí)基電路

調(diào)頻時(shí)基電路的上升沿是三色燈調(diào)光信號的高電平起始點(diǎn),調(diào)頻時(shí)基信號的高平持續(xù)時(shí)間TON固定,設(shè)定為10μs,三色燈調(diào)光信號的高電平持續(xù)時(shí)間TO、TG、TB都小于等于TON,見圖3。

圖3 調(diào)頻時(shí)基波形和三色調(diào)頻調(diào)光波形Fig.3 Basic wave and RGB FM&diming pulse on FM

3.2 調(diào)整三色燈調(diào)光脈沖的占空時(shí)間TO、TG、TB

首先設(shè)置調(diào)頻時(shí)基電路的頻率是100 k Hz。再設(shè)置三色燈中要求亮度最高的紅燈調(diào)光脈沖的高電平時(shí)間,高電平持續(xù)時(shí)間小于8 μs;其次設(shè)置綠燈和藍(lán)燈;然后按比例混色,這需要在平板顯示系統(tǒng)綜合分析儀器SS230上進(jìn)行(圖4),一般藍(lán)色分量過多則色溫高,紅色分量過多則色溫低。

調(diào)整三色燈的調(diào)光脈沖高電平時(shí)間,使色溫達(dá)到(6 500±100)K,色坐標(biāo)u′＝0.198,v′＝0.468。

圖4 SS-230平板顯示綜合分析系統(tǒng)Fig.4 SS-230 FPD synthesized system

3.3 調(diào)頻調(diào)光

三色燈的調(diào)光高電平時(shí)間固定后,3種顏色的燈產(chǎn)生的亮度比例就固定了,然后通過調(diào)整時(shí)基電路的頻率,可以保證背光源亮度大小變化而色溫色坐標(biāo)可以保持不變。

3.4 顏色傳感器采樣三色光亮度

采用TCS230光傳感器采樣R、G和B三分量的亮度。TCS230發(fā)出頻率與亮度成正比的脈沖,脈沖頻率越高則光源越亮。由于采用的是固定高電平時(shí)間的脈沖調(diào)光方式,TCS230輸出的頻率不易測量,另外其與真實(shí)亮度關(guān)系復(fù)雜,故此我們測量時(shí)基電路200個(gè)上升沿時(shí)間內(nèi)的脈沖個(gè)數(shù)作為三色燈的亮度。

采樣得到的三色燈亮度數(shù)據(jù)在調(diào)光級數(shù)30以上基本恒定,見表2。在調(diào)光級數(shù)30以下隨著亮度下降,TCS230三顏色通道采樣到的脈沖個(gè)數(shù)全部明顯增大,但比例關(guān)系基本恒定。

3.5 亮度和顏色閉環(huán)控制

當(dāng)平板液晶顯示器的出屏亮度達(dá)800～1 000 cd/m2時(shí),由于LED燈的發(fā)光效率＜20%,故此產(chǎn)生了大量的熱量。以最大亮度點(diǎn)屏30 min后,背光板達(dá)到熱穩(wěn)定,在有高溫限亮的措施下,溫度也達(dá)到了70℃,溫度升高近50℃。3種顏色的燈在恒流工作方式下,隨著溫度升高它們的亮度都在減小,橙燈衰減的速度要大于藍(lán)燈,見表3。

表2 調(diào)光級數(shù)與TCS230顏色傳感器紅綠藍(lán)3通道輸出脈沖個(gè)數(shù)的關(guān)系Tab.2 Relation between adjusting brightness series and number of pulse output from TCS230 RGB gallery

表3 初始亮度1 130 cd/m2,TCS230三個(gè)顏色通道輸出脈沖個(gè)數(shù)與背光溫度的關(guān)系(補(bǔ)償前)Tab.3 Relation between number of pulse output from TCS230 RGB gallery and backlight temperature on initial luminance 1 130 cd/m2(before)

首先保證紅色分量的亮度,當(dāng)其減小時(shí),可以增加高電平持續(xù)時(shí)間,最大不能超過時(shí)基電路的高電平時(shí)間10μs(實(shí)際情況是不會(huì)超過9μs),就補(bǔ)償至設(shè)定值,其次調(diào)整綠燈和藍(lán)燈。經(jīng)過溫度補(bǔ)償后,出屏亮度變化在±1%之內(nèi),色溫在(6 500±100)K之間。

4 結(jié) 論

綠燈和藍(lán)燈直接采用線性電源驅(qū)動(dòng)。橙燈先用開關(guān)降壓電路進(jìn)行降壓,然后采用線性電源驅(qū)動(dòng)方式以提高電路的工作效率。采樣200個(gè)周期內(nèi)TCS230三顏色通道輸出的脈沖個(gè)數(shù)作為3種顏色的亮度數(shù)據(jù)。該數(shù)據(jù)不會(huì)隨調(diào)光級數(shù)變化而明顯變化,但會(huì)隨溫度變化而明顯變化,可以利用增加三色燈調(diào)光周期內(nèi)高電平持續(xù)時(shí)間的方式來進(jìn)行補(bǔ)償。

調(diào)頻混色方法以三色燈的高電平時(shí)間長短來混出滿足白平衡的背光源,并且方便實(shí)現(xiàn)溫度補(bǔ)償。該方法可以根據(jù)不同顯示模塊的差異,設(shè)置3個(gè)不同的混色時(shí)間,顏色不會(huì)隨亮度變化而變化,提高了產(chǎn)品狀態(tài)的一致性。

[1] Pieter G,Noborn K,Robert F M,et al.LED light source for backlighting with integrated electronics:United States,US 2007/0046485 A1[P].2007-03-01.

[2] Yeon-Tack Y.Backlight unit and driving method using the same:United States,US 2007/0097067 A1[P].2007-05-03.

[3] 郭鵬.恒壓型白光LED驅(qū)動(dòng)電路研究與實(shí)現(xiàn)[D].杭州:浙江大學(xué),2006.Guo P.Constant voltage white light LED driving circuit research and realization[D].Hangzhou:Zhejiang University Mater Dissertation,2006:23-25.(in Chinese)

[4] 王鳳巖,許建平,賀明智.超高亮LED的驅(qū)動(dòng)[J].電源技術(shù)應(yīng)用,2005(9):43-48.Wang F Y,Xu J P,He M Z.Exceed bright LED driving[J].Power Technique Application,2005(9):43-48.(in Chinese)

[5] Perry J M.LED brightness control system for a wide-range of luminance control:United States,US 6,987,787 B1 [P].2006-11-17.

[6] Walter P.Apparatus and method to provide a hybrid linear/switching current source,such as for high-efficiency, wide dimming range light emitting diode(LED)backlight:United States,US 2008/0265793 A1[P].2008-10-30.

[7] Albert L R,Ryan J R.Liquid crystal display backlight circuit:United States,US 6,392,358 B1[P].2002-05-21.

[8] 劉波,章小兵.使用多色LED補(bǔ)色的背光源[J].液晶與顯示,2010,25(5):699-701.Liu B,Zhang X B.Backlight unit with multi-color LED used for color complementation[J].Chinese Journal of Liquid Crystals and Displays,2010,25(5):699-701.(in Chinese)

Colorful LED backlight FM&diming and color mixing method

YANG Zong-yang1,LIU Bo2,3,4,ZHANG Xiao-bing2,3,4,5,QI Ling-yun2,3,4?

(1.Aviation Department of General Staff Military Representative Office in Nanjing Military Representative Office,Nanjing 211100,China; 2.AVIC Huadong Photoelectric Company Limited,Wuhu 241002,China; 3.State Special Display Engineering Laboratory,Wuhu 241002,China; 4.National Special Display Engineering Research Center,Wuhu 241002,China; 5.School of Electrical Engineering and Information,Anhui University of Technology, Maanshan 243002,China)

A kind of panel display module source using RGB LED as backlight is introduced in this paper.Frequency diming method is used to adjust backlight brightness.The final standard white light is gained by RGB diming pulse high level mixing color method.And besides,RGB diming pulse high level timing is tuned according to data from color sensor.Using the method,backlight brightness, color varies and coordinates drifts caused by temperature varies can be effectively improved.

backlight of LED;mixing colors;diming

TN141.9

:A

10.3788/YJYXS20153005.0872

1007-2780(2015)05-0872-05

楊宗陽(1982－),男,河南原陽人,碩士,主要從事航空電子方面的工作。E-mail:624336619＠qq.com

章小兵(1972－),男,安徽馬鞍山人,教授,主要從事電路設(shè)計(jì)方面的工作。E-mail:jksq66＠163.com

劉波(1979－),男,安徽五河人,副研究員,主要從事研發(fā)管理方面的工作。E-mail:liubo1220＠gmail.com

祁凌云(1987－),女,山東高唐人,碩士,主要從事“六性”設(shè)計(jì)方面的工作。E-mail:qilingyun0625＠163.com

2014-07-14;

:2014-11-17.

?通信聯(lián)系人,E-mail:qilingyun0625＠163.com