一種電視新型背光調(diào)光方式及應(yīng)用

摘要：也有部分電視為了解決頻閃問(wèn)題采用傳統(tǒng)的模擬調(diào)光技術(shù)，使得模組燈條的調(diào)節(jié)范圍有限，很難實(shí)現(xiàn)全范圍調(diào)光，同時(shí)，由于模擬調(diào)光技術(shù)會(huì)引起高亮電視畫面和低亮電視畫面的色溫差異，因此為了解決LED電視收看時(shí)不出現(xiàn)閃爍，有效保護(hù)眼睛，獲得舒適的觀看體驗(yàn)，同時(shí)，為了解決模擬調(diào)光限制和亮暗畫面的色溫偏差，特提出一種新型模擬調(diào)光和PWM調(diào)光相結(jié)合的互補(bǔ)式調(diào)光技術(shù)（簡(jiǎn)稱APC調(diào)光技術(shù)），徹底解決了模擬調(diào)光或PWM調(diào)光技術(shù)各自的缺陷，成為TV行業(yè)或其他顯示行業(yè)全新的一種背光調(diào)節(jié)技術(shù)。

0   引言

目前，LED TV 及其他顯示類設(shè)備的模組背光主要采用兩種調(diào)光方式：模擬調(diào)光（analog dimming）和脈沖寬度調(diào)制（pulse width modulation，PWM）^[1]。

模擬調(diào)光因調(diào)光范圍較窄（一般為10%~100%），模擬調(diào)光技術(shù)不能滿足顯示設(shè)備從亮到暗的全范圍調(diào)光，此外，隨著LED 電視使用的模組燈條電流不斷增大，在最暗狀態(tài)時(shí)，模組背光調(diào)節(jié)燈條電流較大，導(dǎo)致LED電視屏幕依然較亮，因此在LED TV 中較少使用。

PWM調(diào)光技術(shù)是目前行業(yè)內(nèi)普遍采用的調(diào)光方式，廣泛應(yīng)用于各類LED 顯示設(shè)備。通過(guò)調(diào)節(jié)PWM占空比，調(diào)節(jié)范圍較寬（一般為1%~100%），能夠?qū)崿F(xiàn)LED電視背光由暗到亮控制的全范圍調(diào)節(jié)，但是，PWM 調(diào)光時(shí)模組燈條按照調(diào)光頻率周期性的出現(xiàn)“亮- 滅-亮- 滅”交替變化，導(dǎo)致頻閃現(xiàn)象發(fā)生，電視或其他顯示設(shè)備的屏幕閃爍會(huì)迫使人眼“眼睫肌”處于緊張的快速?gòu)埡蠣顟B(tài)，加快疲勞速度，久而久之，會(huì)對(duì)眼睛造成傷害。

因此，本文提出了一種新型調(diào)光方式“模擬-PWM互補(bǔ)式”調(diào)光技術(shù)（analog-PWM complementary dimming technology），簡(jiǎn)稱APC 調(diào)光技術(shù)。

圖1 LED電視恒流系統(tǒng)框圖

1   傳統(tǒng)調(diào)光技術(shù)方案

在LED TV 行業(yè)，大多采用PWM 調(diào)光技術(shù)，在顯示器行業(yè)，大多采用模擬調(diào)光技術(shù)，也稱直流調(diào)光技術(shù)（DC 調(diào)光），不管采用何種調(diào)光方式，其恒流系統(tǒng)原理框圖基本一致，如圖1 所示。

Unit1 是電源系統(tǒng)（PSU），為主板系統(tǒng)和恒流系統(tǒng)供電，同時(shí)，經(jīng)過(guò)電壓變換電路為模組燈條供電。Unit2 是主板系統(tǒng)（mainboard），為恒流控制系統(tǒng)提供使能信號(hào)（ENA）和調(diào)光信號(hào)（ADJ），其中，ENA 用于開(kāi)啟恒流驅(qū)動(dòng)器，ADJ 為調(diào)光信號(hào)。

Unit3 是恒流控制器（LED driver），用于實(shí)現(xiàn)模組燈條恒流控制。其中，Q1 為調(diào)光MOS，既可以是恒流控制器的內(nèi)置MOS，也可根據(jù)設(shè)計(jì)需要，采用外置MOS 匹配。

注：上圖中的PWM 信號(hào)和電流信號(hào)不代表背光從0~100% 的實(shí)際變化。

1）模擬調(diào)光

從圖1 中可以看出，自主板系統(tǒng)發(fā)出ADJ 信號(hào)，送至恒流系統(tǒng)的ADIM 腳，此時(shí)，PWM 腳被屏蔽，模組燈條中的電流波形如圖2（a）所示。從中可見(jiàn)，當(dāng)主板SoC 發(fā)出ADJ 脈沖調(diào)光信號(hào)，經(jīng)恒流系統(tǒng)轉(zhuǎn)換為模擬調(diào)光信號(hào)。當(dāng)調(diào)光占空比恒定時(shí)，燈條電流為恒定的直流波形；當(dāng)TV 菜單中的背光調(diào)節(jié)從0~100% 變化時(shí)，ADJ 的占空比隨之增大，對(duì)應(yīng)的燈條電流值亦隨之增加，整機(jī)從暗逐漸變亮^[2]。需要說(shuō)明的是，由于模擬調(diào)光的調(diào)節(jié)范圍有限（調(diào)光比較?。?dāng)背光調(diào)至0 時(shí)，屏幕依然較亮。例如，以O(shè)Z9902D 為例（調(diào)光比為3:1），燈條電流為800 mA（100% 占空比），則當(dāng)背光調(diào)至0時(shí)，燈條電流值為：

I_av = I_pk ×33.33% = 800×33.33% = 266.6 mA

從上述計(jì)算結(jié)果可以看出，當(dāng)系統(tǒng)調(diào)制最暗時(shí)，燈條電流仍有266.6 mA，液晶屏幕依然較亮，不能滿足從暗到亮（或從亮到暗）的全范圍變化要求，因此，在實(shí)際TV 設(shè)計(jì)中較少使用。

2）PWM 調(diào)光

根據(jù)圖1，自主板系統(tǒng)發(fā)出ADJ 信號(hào)，送至恒流系統(tǒng)的PWM 腳，此時(shí)，ADIM 腳被屏蔽，模組燈條中的電流波形如圖2（b）所示。從圖中可以看出，當(dāng)主板SoC 發(fā)出ADJ 脈沖調(diào)光信號(hào)，送至恒流系統(tǒng)，當(dāng)調(diào)光占空比恒定時(shí)，燈條電流為相同頻率的脈沖電流；當(dāng)TV 菜單中的背光調(diào)節(jié)從0~100% 變化時(shí)，ADJ 的占空比隨之增大，對(duì)應(yīng)的燈條電流波形占空比值亦隨之增大，整機(jī)從暗逐漸變亮。由于PWM 脈沖變化范圍較寬，一般恒流方案可滿足1%~100% 的變化范圍，因此，當(dāng)背光調(diào)至0 時(shí)，主板SoC 軟件可調(diào)至1% 的占空比，同樣以燈條電流為800 mA（100% 占空比）為例，燈條電流最小值為：

因此，當(dāng)系統(tǒng)調(diào)至最暗時(shí)，燈條電流只有8 mA，液晶屏幕實(shí)現(xiàn)從暗到亮（或從亮到暗）的全范圍變化要求，可在實(shí)際應(yīng)用中廣泛使用。但是，在PWM 控制方式下，燈條電流“亮- 滅- 亮- 滅”交替變化，導(dǎo)致頻閃現(xiàn)象，同時(shí)，電源始終工作的動(dòng)態(tài)負(fù)載情況下，系統(tǒng)的EMI 效果較差。

2   APC調(diào)光技術(shù)

APC 調(diào)光技術(shù)是針對(duì)目前傳統(tǒng)的模擬調(diào)光和PWM調(diào)光各自存在的問(wèn)題提出的一種結(jié)合兩者優(yōu)勢(shì)的新調(diào)光方式。APC 調(diào)光技術(shù)有3 個(gè)關(guān)鍵技術(shù)點(diǎn)：互補(bǔ)調(diào)光控制技術(shù)，低亮高頻調(diào)光技術(shù)，互補(bǔ)分界點(diǎn)可調(diào)技術(shù)。

注：上圖中的PWM 信號(hào)和電流信號(hào)不代表背光從0~100% 的實(shí)際變化。

1）互補(bǔ)調(diào)光控制技術(shù)

如圖3（a）所示，當(dāng)主板系統(tǒng)發(fā)出ADJ 調(diào)光脈沖信號(hào)（即PWM 調(diào)光信號(hào)）送至恒流控制器后，恒流控制器接收外部背光從0~100% 變化，對(duì)應(yīng)調(diào)光信號(hào)占空比在a 點(diǎn)由PWM調(diào)光段（part1）轉(zhuǎn)至模擬調(diào)光段（part2），對(duì)應(yīng)燈條電流變化亦由PWM 電流波形轉(zhuǎn)至直流，此后到最大占空比（對(duì)應(yīng)背光為100%）的過(guò)程中，燈條電流均為DC 調(diào)光電流，實(shí)現(xiàn)互補(bǔ)調(diào)光，從而實(shí)現(xiàn)了全范圍調(diào)光。

2）低亮高頻調(diào)光技術(shù)

APC 調(diào)光技術(shù)另一個(gè)特點(diǎn)是：在低亮段（背光從0~a 范圍內(nèi)），PWM 調(diào)光頻率（part1）經(jīng)倍頻電路轉(zhuǎn)化為20 kHz 以上調(diào)光頻率，原因?yàn)椋孩僭赑WM 調(diào)光段內(nèi)，消除電視畫面的頻閃問(wèn)題；②根據(jù)人耳能聽(tīng)到聲音頻率范圍20 Hz~20 kHz，該調(diào)光方式可消除了低亮段調(diào)光時(shí)電路的噪聲問(wèn)題。

3）互補(bǔ)分界點(diǎn)可調(diào)技術(shù)

由于LED 電視尺寸大小及模組燈條電流大小不同，根據(jù)實(shí)際畫質(zhì)調(diào)試需要，為了彌補(bǔ)低亮度色溫偏差問(wèn)題，設(shè)置了互補(bǔ)分界點(diǎn)比較電路，可根據(jù)實(shí)際需要靈活調(diào)節(jié)模擬調(diào)光和PWM調(diào)光的分界點(diǎn)，以滿足畫質(zhì)調(diào)節(jié)的需要。通過(guò)以上分析可以看出，APC 調(diào)光技術(shù)既避開(kāi)了模擬調(diào)光和PWM 調(diào)光各自的缺點(diǎn)，又充分體現(xiàn)了模擬調(diào)光和PWM 調(diào)光各自的優(yōu)點(diǎn)。表1 從理論和實(shí)驗(yàn)結(jié)果分別對(duì)比了模擬調(diào)光、PWM 調(diào)光及APC 調(diào)光3 種方式的優(yōu)缺點(diǎn)，可做設(shè)計(jì)參考。

3   結(jié)束語(yǔ)

本文詳細(xì)介紹了傳統(tǒng)調(diào)光技術(shù)的原理和存在的問(wèn)題，提出了一種全新的模擬-PWM 互補(bǔ)式調(diào)光技術(shù)（APC 調(diào)光技術(shù)），詳細(xì)介紹了APC 調(diào)光技術(shù)的3 種關(guān)鍵技術(shù)，即互補(bǔ)調(diào)光控制技術(shù)、低亮高頻調(diào)光技術(shù)和互補(bǔ)分界點(diǎn)可調(diào)技術(shù)；對(duì)APC 互補(bǔ)式調(diào)光技術(shù)做了明確定義；還從理論上和實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)3 種調(diào)光技術(shù)做了對(duì)比分析。從中可以看出，APC 互補(bǔ)式調(diào)光技術(shù)避開(kāi)了模擬調(diào)光技術(shù)和PWM 調(diào)光技術(shù)的缺點(diǎn)，結(jié)合了兩者的優(yōu)點(diǎn)，將成為顯示行業(yè)一種新的調(diào)光技術(shù)，為調(diào)光技術(shù)大家庭中增添了新的一員，具有很大的實(shí)用價(jià)值和廣泛的應(yīng)用前景。

參考文獻(xiàn)：

[1] WINDER S.LED驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)[M].謝運(yùn)祥,王曉剛,譯.北京:人民郵電出版社,2009.

[2] 張占松,蔡宣三.開(kāi)關(guān)電源的原理與設(shè)計(jì)[M].北京:電子工業(yè)出版社,2004.

（本文來(lái)源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2021年12月期）