实现大面积LED背光亮度一致性的设计要点

中心议题： 
    * 高端显示系统对亮度匹配的要求
    * 大面积LED背光设计要点
解决方案：
    * 通过校正来解决发光亮度不均
    * 通过控制及混合RGB LED来产生“可调的”白光

发光二极管(LED)在各种终端设备中已经被广泛使用，从汽车前照灯、交通信号灯、文字显示器、广告牌及大屏幕视频显示器，到普通及建筑照明和LCD背光等最新应用，LED的迅速采用使得最普通的设备也需要重新设计。随着LED效率与亮度的增加以及成本的减少，LED有可能会取代消费类应用中的传统照明技术。本文通过比较采用基于LED的LCD背光的大屏幕显示器中所使用的一些技术，阐述如何解决在使用LED时所面对的一些设计挑战。

体育场或广告显示牌使用了很多显示面板及成千上万个LED。在每一显示阵列中，各LED(也称为像素)的亮度会有很大的差异，最亮和最暗LED之间的亮度差有时甚至能高达15%～20%。尽管此问题是所有LED应用的通病，但在一些要求有像素一致性的高质量显示系统中显得尤为突出。为弥补这种差异，厂商通常采用两种办法：一是从供应商处购买经过匹配的或经过筛选的LED；二是采用带有“点校正”功能的高质量LED驱动器。

LED供应商提供经过匹配的LED并收取一定的额外费用。他们测试后再将这些RGB(红、绿、蓝)发光二极管与可在规定电流上产生相似亮度的LED组合在一起。利用这种方法虽可以最少的设计工作量来为低端照明系统提供所需的亮度一致性，但每个像素随时间的衰落速度或亮度下降速度各不相同，因而这种方法只能是一种暂时的解决方案。换言之，在今后一到两年内，各像素的亮度将无法再保持一致。另外，当需要更换有缺陷的面板时，新换上的面板的亮度在视觉上也会和其他面板有差异。

高端显示系统对亮度匹配的要求很高，因此仅采用LED匹配这种方法还远远不够。为在显示单元的整个寿命周期内获得像素与面板亮度的一致性，厂商们普遍采用带有点校正功能的高级LED驱动器。点校正是一种通过调整流入阵列中每个LED的电流来控制像素亮度的方法。利用点校正功能，处理器可以控制流入LED面板的所有电流，同时LED驱动器可调整供给每个LED的电流并产生一致的亮度。因此就不再需要查找表，也不需要LED在每个刷新周期的复杂倍乘任务，处理器可以把节省下来的资源用来执行其他任务。

为实现点校正，厂商通过照相来测量每个LED的亮度。系统中最暗的LED被指定为基本LED，而其他所有像素均与其进行比较。为进行这种校正，供给每个像素的电流都乘以一个和LED光强成正比的小数(或分数)。在像TITLC5940中，每个LED的点校正值在每个刷新周期内都可以有很大的不同，并能存储在集成EEPROM中。这种“双点校正”方法可提供让整个面板亮度随外部照明条件的改变而更新的灵活性，并能提供长期及非易失性的点校正信息，来确保面板亮度的一致性。亮度指标会随时间而改变，EEPROM中的数据可以进行重新校正，若面板出现故障要求更换，EEPROM中的数据也可以进行重写。下面用一个具体例子来阐述这种方法。

为简单起见，只考虑由多个面板及数千个LED像素组成的完整显示系统中一种颜色的16个LED。视频面板中绿像素的亮度指标可能要求该像素的绿色LED具有80mcd的亮度。所选LED(OsramLPE675)按亮度分成四个组：45～56mcd、56～71mcd、71～90mcd及90～112mcd。每组亮度均在50mA的电流上测量。选择亮度最高的组并保证其每个LED均具有至少80mcd的亮度。对于像TLC5940这样的芯片，可用一个电阻来设置每片IC的最大电流，使每片IC都能驱动16个LED。该电阻值必须能将电流设置成足够高，以使最暗的LED也能产生80mcd的亮度。因此，根据LPE675的数据资料，芯片必须有43mA的驱动电流才能产生80mcd的亮度。

通过在安装位置上测量LED的满电流(43mA)亮度，即可得到如图1所示的LED亮度直方图。其中x轴为以mA表示的LED电流，而y轴则为以mcd表示的LED亮度。如图1所示，在未进行点校正前，所测得的面板中每个LED之间的亮度差可高达±10%。这样大的亮度差在高端显示器中是无法接受的。直方图给出了对每个LED进行调整或进行点校正以产生一致亮度的相应数据。例如，当对满亮度编程后，IC必须将LED1的亮度从83mcd校正为80mcd。TLC5940拥有6位的点校正(即64步)步进，对应于每步1.56%的满量程分辨率。

图1点校正前的LED亮度与正向电流直方图


图2点校正后的LED亮度与正向电流直方图

用下式可计算出每个LED的点校正值。



其中DCproduction为生产时所需的点校正值，Lbaseline为所需的亮度水平，而Linitial则是在最大电流上测得的亮度。

先将计算得到的点校正值四舍五入为最接近的小数，然后再将原始亮度乘以新的点校正系数，即得到更新后的LED亮度值。



在计算并存储每个LED的点校正数据后，即可将LED驱动器编程为其最大电流，以使LED驱动器自动调整供给每个LED的电流，这便产生了如图2所示的直方图。如果将点校正数据编程至TLC5940芯片的EEPROM中，则当面板每次开机时即可加载点校正数据，而且会一直保留至面板下一次被再校准为止。

对于室内或室外工业用视频显示器，例如广告牌及大屏幕显示器等，光有静态调整(即校准后保持不变，直到手动调整为止)还不够。这种面板调整是显示器日常维护程序中的一部分。而新兴市场应用则对此提出了更大的挑战。随着该技术进入到消费电子产品及家庭中，又如何来控制并调整LED随时间的改变呢？

尽管这种发展仍处于初级阶段，但现在已有一些显示器采用了此项技术。索尼40英寸Qualia005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电视。与流行想法相悖的是，这两种电视显示器中的二极管并不“白”，而是通过控制及混合RGB LED来产生“可调的”白光。与传统灯泡相比，LED背光拥有很多优势：更高的功率效率、更少的运动画面拖影、更宽的色彩频谱(在某些情况下大于105%NTSC)、更长的使用寿命及可调的色温等，其画面质量非常高。尽管在亮度变化方面电视机工程师遇到了和传统面板制造者一样的挑战，他们还必须着重考虑温度变化问题，因为电视背光应用对LED亮度随温度变化的改变很敏感。此外，电视机仅当其背光性质被调整为满足每位消费者起居室各不相同的环境照明条件时，才能达到其最佳显示质量。再加上消费应用的特点，便向人们提出了对动态亮度调整的需求。

为创造这种动态调整环路，需要使用几个测量LED温度及亮度变化的内部传感器，以及测量环境条件改变的外部传感器。以其最基本的形式，控制环路以这些传感器采集数据，并将这些数据输入至处理器中开始，然后处理器再对这些数据进行评估，并向TLC5940等LED驱动器芯片提供智能校正功能。此外，处理器还通过结合原始工厂校准点校正值与新的动态数据来产生更新后的点校正数据。

还用前面的示例，假如环境亮度表测得仅需70%的满亮度或56mcd的环境照明条件，则处理器会算出新的44.8的环境光点校正值。如果由于温度上升而使LED亮度下降10%，则处理器会计算71.1的温度点校正值。结合所有这三种点校正值来产生新的点校正数据，即可对这三种亮度变化进行补偿。

从上可见，运用48的组合点校正值即可得到56mcd的期望亮度。请注意，由于温度引起亮度下降，故本计算中的起始电流被设置为起始生产电流的90%。

只有可提供并能组合运用动、静态点校正方法的高级LED驱动器，才能提供针对消费者特定观看条件的最佳背光解决方案。在由索尼及三星提供的原型电视机中，LED采用串联方式减少控制单个LED的所需资源。要设计对背光显示单元的全动态控制，需对单个LED进行控制。因此，LED厂商目前正在开发可实现更灵活阵列配置的先进技术。

用于电视机的智能背光，是下一项将应用到家庭的创新技术，将使电视机的画面质量大幅度提高，改善人们在使用中的视觉体验。