直下式液晶電視背光源控制技術(shù)

何勝斌

(深圳市兆馳股份有限公司，廣東 深圳 518026)

0 引言

液晶電視目前占據(jù)了大眾家庭客廳娛樂中心的位置，是老百姓必備的家電產(chǎn)品之一。從原來的傳統(tǒng)電視節(jié)目到互聯(lián)網(wǎng)的興起和傳播，內(nèi)容越來越豐富，液晶電視拓展到在看電視臺(tái)節(jié)目的同時(shí)，還可以視頻點(diǎn)播、在線購(gòu)物、網(wǎng)絡(luò)教育、即時(shí)視頻等活動(dòng)。消費(fèi)的需求同時(shí)推動(dòng)著液晶電視產(chǎn)業(yè)向著大尺寸、高清、卓越畫質(zhì)、節(jié)能方向發(fā)展。

1 圖像顯示原理

一臺(tái)電視機(jī)需要光學(xué)器件配合光源發(fā)出的光，透過液晶面板，加上軟件、電路控制，人眼才能看到豐富的電視圖像。技術(shù)上光源有兩種形式：直下式背光源和側(cè)光式背光源。無論哪種背光源，隨著液晶電視朝著輕、薄方向發(fā)展，目前全是用LED燈發(fā)光來完成的。背光源的一致性(畫質(zhì))、高效性(節(jié)能)、便于控制(用戶體驗(yàn))是其中三個(gè)最重要的設(shè)計(jì)因素。

2 LED工作原理及特點(diǎn)

LED(light-emitting diode)，中文名字就是發(fā)光二極管，屬于電流型非線性元件。工作圖形如圖1，工作時(shí)發(fā)出的能量即大家看見的光。

人眼對(duì)光的顏色和亮度的分辨率很高，特別是對(duì)于顏色的變化差異特別敏感。當(dāng)LED作為陣列顯示、液晶電視背光等產(chǎn)品時(shí)，用沒有分選過的LED就會(huì)產(chǎn)生亮度、色度不均勻的現(xiàn)象，讓人無法接受。LED色度、VF、光效是大家所關(guān)心的幾個(gè)關(guān)鍵參數(shù)。LED出廠時(shí)，廠家已經(jīng)按照波長(zhǎng)和光亮等，基于額定電流進(jìn)行了分光分色來保證一致性。

圖1 LED工作圖形

LED特性是當(dāng)環(huán)境溫度升高時(shí)PN結(jié)堆的等效內(nèi)阻會(huì)降低，若使用恒壓供電的方式，將會(huì)導(dǎo)致電流大大增加，引起器件損壞，所以必須使用恒流方式。另外一個(gè)特性是需要較低亮度時(shí)，如果直接減少流過LED的電流，LED之間的亮度就可能存在很大的差異。實(shí)際的運(yùn)用中，一般采用PWM調(diào)光來解決這個(gè)問題，PWM調(diào)光可以實(shí)現(xiàn)流過LED的電流保持在額定值，通過控制LED點(diǎn)亮或者熄滅的占空比來調(diào)節(jié)亮度，仍可以保持LED之間的亮度一致性。

3 電路拓補(bǔ)結(jié)構(gòu)

基于成本原因，一般用LED組的總電流控制，這種方式不能實(shí)現(xiàn)各個(gè)LED串之間的電流自動(dòng)平均分配。即使選擇電氣參數(shù)較為一致的LED(這意味著LED成本會(huì)有大幅上升)，在相同的驅(qū)動(dòng)電壓下，LED組中總導(dǎo)通電壓高的LED串，可能導(dǎo)通不充分；總導(dǎo)通電壓低的可能過導(dǎo)通，流過超出其額定值的電流，結(jié)果就是發(fā)光不太均勻而且有的LED可能會(huì)提前損壞。

為消除這種隱患，有兩種驅(qū)動(dòng)方式可選,一種是目前業(yè)界普遍使用的采用Boost(升壓)+LDO恒流；另一種是逐漸發(fā)展起來的Buck(降壓)+PWM恒流，以下從兩種電路的工作原理來分析.

3.1 Boost(升壓)+LDO恒流[1]

1) 環(huán)路及恒流原理：拓?fù)錇锽OOST結(jié)構(gòu)，如圖2所示，在一個(gè)工作周期內(nèi)，當(dāng)SOUT1輸出高電平時(shí)，功率MOS Q5導(dǎo)通，VIN通過升壓電感L1和Q5，L1進(jìn)入儲(chǔ)能過程，此時(shí)續(xù)流二極管D1截止，LED由濾波電容C1供電；當(dāng)SOUT1輸出低電平時(shí)，Q5截止，這時(shí)在L1兩端產(chǎn)生一個(gè)反向電動(dòng)勢(shì)VL，VL與VIN疊加并通過D1給LED供電并對(duì)C1充電。

2) 恒流原理：如圖2所示，芯片對(duì)IFB1腳電壓VIFB1進(jìn)行采樣，將VIFB1與芯片內(nèi)部基準(zhǔn)VADJ值進(jìn)行比較，如果高于VADJ值，功率管Q5導(dǎo)通時(shí)間會(huì)縮短，傳遞到輸出的能量減少；如果低于該值，功率管Q5導(dǎo)通時(shí)間會(huì)加長(zhǎng)，傳遞到輸出的能量增多，經(jīng)過內(nèi)部多個(gè)周期的調(diào)整后，芯片會(huì)處于一個(gè)動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)。

圖2 Boost(升壓)+LDO恒流電路架構(gòu)

3) LED1～LED4代表4根LED燈串，由前文可知同一個(gè)晶元上出來的LED，如果不經(jīng)過篩選，LED在額定電流下的正向電壓降是不一樣的(具體會(huì)在3.0V～3.6V之間)。這里先假設(shè)這4個(gè)燈串的燈珠沒有經(jīng)過篩選，LED1～LED4在額定電流300 mA下的電壓分別是95 V、98 V、101 V、103 V，Boost變換器的輸入電壓為24 V，那么Boost升壓之后的電壓就是最高的LED4燈串的電壓103 V(不考慮LDO恒流電路的壓降)，為使LED燈串的電流恒定在300 mA，LDO1～LDO3就要分別承受8 V、5 V、2 V的電壓，損耗在LDO1～LDO3的功率分別是2.4 W、1.5 W、0.6 W?？梢?，如果使用不經(jīng)過篩選的LED，這種升壓+LDO恒流的驅(qū)動(dòng)器很容易出現(xiàn)過壓損壞的情況。所以，這種驅(qū)動(dòng)電路要求各路的LED燈的性能參數(shù)必須一致，而這會(huì)導(dǎo)致成本的增加。

4) Boost架構(gòu)的驅(qū)動(dòng)IC，市面上有很多型號(hào)，但工作原理都幾乎一樣，如臺(tái)灣昂寶的OCP8122A等。

3.2 Buck(降壓)+PWM恒流[2]

1) 電路拓?fù)錇锽uck結(jié)構(gòu)，如圖3所示。當(dāng)芯片DRIVER輸出高電平時(shí)，由Vin、LED、L1、Q1、R2構(gòu)成一條勵(lì)磁通路對(duì)電感L1儲(chǔ)能；當(dāng)DRIVER輸出低電平時(shí)，由L1、D1、LED構(gòu)成一條退磁通路，由電感對(duì)LED提供能量。

2) 恒流原理：如下圖所示，芯片對(duì)MOS管導(dǎo)通期間的電流進(jìn)行采樣，積分得出平均電流與內(nèi)部EA正相輸入端基準(zhǔn)VADJ值進(jìn)行比較，如果高于該值，EA輸出會(huì)變低，此時(shí)輸出功率管導(dǎo)通時(shí)間會(huì)變短，傳遞出的能量下降；反之，同樣調(diào)整。

3) 由于是Buck控制，所以恒流電路不需要承受壓降，即使4根LED燈條電壓相差很大，MOS管也不會(huì)損耗過大，其損耗約等于MOS的導(dǎo)通電阻與燈條電流平方的乘積，加上MOS的開關(guān)損耗，而且可以實(shí)現(xiàn)更多的LED燈串聯(lián)。

4) 需要注意的是：要使整個(gè)系統(tǒng)處于恒流模式就必須使其工作于CCM模式，這樣就使得系統(tǒng)外圍電路設(shè)計(jì)時(shí)必須對(duì)f、L、D、△I進(jìn)行合理設(shè)計(jì)，L=Vo*(Vin‐Vo)/(Vin*f*△I)。

圖3 Buck(降壓)+PWM恒流電路架構(gòu)

5)Buck+PWM恒流架構(gòu)的驅(qū)動(dòng)IC，以臺(tái)灣昂寶的OCP8128為代表，可以靈活運(yùn)用。

3.3 分析和比較

在設(shè)計(jì)得當(dāng)?shù)那闆r下，Boost與Buck LED驅(qū)動(dòng)控制器都能夠滿足目前絕大多數(shù)的LED背光源的技術(shù)要求，且成本都可以控制得相差不大；但如果做多通道(兩通道以上)的LED恒流時(shí)，Buck驅(qū)動(dòng)控制器有個(gè)明顯的優(yōu)勢(shì)：對(duì)通道間的LED電壓沒有嚴(yán)格要求，而Boost驅(qū)動(dòng)控制器則必須制在一定范圍內(nèi)，如LED電流為300mA時(shí)，通道電壓差就不能超過3.3V，否則恒流MOS可能因?yàn)閾p耗過大而過熱損壞。所以，使用Buck控制器可以減少挑選LED燈珠的成本。

4 區(qū)域調(diào)光技術(shù)(LOCAL DIMMING)

節(jié)能及畫質(zhì)提升技術(shù)一直是彩電行業(yè)不斷追求創(chuàng)新的領(lǐng)域，而區(qū)域調(diào)光技術(shù)成為集節(jié)能與畫質(zhì)提升于一身的最佳技術(shù)之一。液晶電視顯示部分主要包括背光源和液晶顯示單元，其中背光源采用點(diǎn)光源LDE，這就為實(shí)現(xiàn)區(qū)域調(diào)光提供了可能，同時(shí)背光源是整機(jī)耗能最大的部分，占70%左右，所以通過各種方式調(diào)節(jié)背光源亮度實(shí)現(xiàn)節(jié)能且提升畫質(zhì)的技術(shù)一直是業(yè)界不斷攻克的課題。

液晶電視推出初期，其背光亮度是固定或用戶通過菜單手動(dòng)調(diào)節(jié)的，要么整片變亮，要么整片變暗。隨技術(shù)的進(jìn)步，背光源亮度區(qū)域調(diào)節(jié)技術(shù)(Local dimming)也得到迅速發(fā)展，原理是液晶電視系統(tǒng)將圖像信號(hào)分成若干區(qū)域，并根據(jù)各區(qū)域圖像亮度進(jìn)行分析計(jì)算，然后自動(dòng)控制各區(qū)域背光源的亮暗。目前技術(shù)上經(jīng)歷0次元(0D)Dimming、1次元(1D)Dimming發(fā)展到當(dāng)前的2次元(2D)Dimming。

4.1 0D Dimming

對(duì)整個(gè)電視畫面統(tǒng)一調(diào)節(jié)亮度，當(dāng)下一場(chǎng)畫面亮度變暗或變亮?xí)r，DSP計(jì)算整個(gè)畫面的平均亮度再將背光Y源統(tǒng)一調(diào)暗或調(diào)亮。缺點(diǎn)是統(tǒng)一調(diào)節(jié)不夠準(zhǔn)確，如當(dāng)同一畫面中出現(xiàn)純白和純黑在一起的畫面時(shí)，畫面會(huì)失真。

4.2 1D Dimming

英文也叫l(wèi)ine dimming，顧名思義就是按線調(diào)節(jié)。對(duì)于直下式LED而言，則是按每行LED調(diào)節(jié)，或?qū)⑾噜徯蠰ED分組按組分別調(diào)節(jié)。1D Dimming比0D Dimming在技術(shù)上有了很大提升，可以很大程度地降低液晶電視能耗，提升畫面對(duì)比度。然而當(dāng)其遇到在同一行中有黑白交錯(cuò)的畫面時(shí)，又會(huì)出現(xiàn)同一行畫面亮度調(diào)節(jié)不準(zhǔn)確的情況。

4.3 2D Dimming

即Local dimming，是指將整個(gè)畫面按矩陣式分成若干個(gè)區(qū)域，DSP根據(jù)每個(gè)區(qū)域分布計(jì)算平均亮度，對(duì)各區(qū)域的亮度獨(dú)立控制，這樣就可以完美解決在1D Dimming下出現(xiàn)的問題。2D Dimming能對(duì)LCD背光源作不同區(qū)域、不同程度明暗變化的調(diào)節(jié)，可提高顯示畫面對(duì)比度，增加灰階數(shù)，減少殘影，提升LCD顯示器畫質(zhì)，是最佳的區(qū)域調(diào)光技術(shù)，同時(shí)大幅降低耗電量，日本電氣通信大學(xué)針對(duì)不同型態(tài)背光源測(cè)量同一顯示畫面耗電量，測(cè)量結(jié)果顯示：倘若0D Dimming平均耗電量為100%，2D Dimming型態(tài)背光源平均耗電量?jī)H43%。隨著分區(qū)的增多，功耗還可以得到更大幅度的降低。

4.4 Local Dimmig控制原理

基于DSP的loacl dimming方案由三個(gè)部分組成，如下圖4，分別是FPGA或SOC，DSP和LED Driver IC，SOC采集圖像信號(hào)并通過SPI接口發(fā)送資料給DSP，DSP進(jìn)行資料處理后再通過SPI控制1個(gè)或多個(gè)LED Driver。

圖4 LOCAL DIMMING控制架構(gòu)圖

主芯片高速DSP針對(duì)每一幀視頻信號(hào)進(jìn)行處理，得到每一區(qū)域的灰度信息，并輸出給驅(qū)動(dòng)IC去控制相應(yīng)的背光區(qū)域亮度。

1) 典型運(yùn)用如IWATT方案，將MCU和LED Driver置于同一塊板上，AC-DC可根據(jù)燈串電壓的不同要求進(jìn)行升壓或降壓，MCU采用Gigadevice GD32F130G8U6 32位高性價(jià)比MCU，LED Driver采用IWATT的IW7027,對(duì)各個(gè)通道進(jìn)行精準(zhǔn)的控制。

5 總結(jié)

作為消費(fèi)類電子最主要的產(chǎn)品之一液晶電視，技術(shù)上在不斷的突破，8K超高清的視頻節(jié)目將在2020奧運(yùn)會(huì)上正式播出。作為畫質(zhì)影響關(guān)鍵因素之一的背光源控制技術(shù)，也在不斷的深入研究，最終是呈現(xiàn)更好的畫質(zhì)給廣大用戶并且符合節(jié)能環(huán)保的指標(biāo)，符合著人們對(duì)美好生活的要求。