液晶显示屏LED背光源均匀亮度控制

发光二极管（LED）在各种终端设备的广泛应用早已让许多人跌破眼镜：从汽车头灯、交通号志、文数字显示器、广告广告牌、与大型显示器等现有技术，到一般大楼照明设备以及液晶显示器背光源等其它应用，日益盛行的LED光源使得最普遍的产品也要随之重新设计。随着效率和亮度不断增加以及成本持续下降，LED终将取代传统光源成为消费性应用的主要照明来源。本文将针对液晶显示器的LED背光源与其它大型显示器的光源技术进行比较，藉以说明LED应用设计所需面对的挑战。
 

 像点修正技术解决LED亮度差异问题

    体育馆或广告用的大型看板通常包含数十组显示面板与数千颗LED。在每块显示区内，每颗LED（又称为像素）所发出的亮度差异也会很大；通常最亮和最暗的LED相差可达15%至20%以上，这使厂商必须持续解决品质和管理等困难问题。虽然所有LED应用都会遇到这类问题，但在动态视频显示等需要均匀亮度的高品质应用上却显得特别严重。制造商大都采取两种方法来弥补亮度差异，一种方法是向供应商购买亮度相近的LED；另一种方法则是采用内含「像点修正（dot correction）」能的高品质LED驱动元件。

    亮度相近的LED有许多优点，其价格通常也较高。供应商会先测量LED在特定电流下的亮度，然后把亮度相近的红光、绿光和蓝光LED组合在一起。这种方法可在最不影响设计的情形下为低阶照明系统提供均匀亮度；其缺点则是每颗LED的亮度耗损速度都不同，因此经过一段时间后亮度又会变得不均匀。这项缺陷使它仅能做为短期解决方案，否则经过一两年后，画面又会变成一块一块。除此之外，若面板发生故障而需要更换，新面板与原有面板的亮度也会出现极大差异。

    高阶显示器系统对于亮度匹配的要求更为严苛，单靠采用亮度相近的LED并无法满足这类应用的要求。因此为了让像素和面板在显示器寿命週期内都能维持均匀亮度，制造商会选用内建像点修正功能的先进LED驱动元件。像点修正是藉由调整个别LED电流来管理像素亮点的一种方法：处理器只需控制送到整块LED显示区的总电流，再由LED驱动元件调整个别LED电流来产生均匀亮度；这表示处理器可将其运算效能用于其它工作，而不需为了均匀亮度而查询表格或在每个更新週期针对每颗LED进行复杂的乘法运算。为了提供像点修正功能，制造商会透过画面撷取测量每颗LED的亮度，再将系统最暗的LED指定为基准LED，然后将其它像素的亮度调整成和基准LED相同；调整方式则是根据LED输出亮度将每个像素的电流减少一定比例。德州仪器（TI）的TLC5940或其它类似元件都会将每颗 LED的像点修正值储存在晶片内建的EEPROM记忆体，或是在每个更新週期当中做动态修改。这种双重像点修正方式很有弹性，它既能在外界照明条件改变时更新整个面板的亮度，又能提供长期保存像点修正资讯以确保面板亮度均匀。只要像素亮度随时间出现变化，或是面板因为故障而需要调整和更换，工程人员随时都能更新EEPROM资料。我们将用下列例子来说明这种做法。

实际操作案例

    为简单起见，此处只考虑同一种颜色的16颗LED，它们来自于多组面板和数千颗LED所组成的大型显示系统。我们假设绿色像素的绿光LED必须发出80毫烛光才能达到面板对于绿色像素的亮度要求。设计人员选择的LED则为Osram LP E675，它在50mA标准电流下的亮度可分为45-56、56-71、71-90以及90-112毫烛光等四个等级；这表示只要选择亮度最高的一组LED，就能确保每颗亮度至少能达到80毫烛光。TLC5940之类的元件最多能驱动16颗LED，每颗元件只需要一颗电阻来设定最大电流值。选择此电阻时应确保其设定之电流足以让最暗的LED发出80毫烛光，LP E675元件资料表显示它需要43mA的驱动电流才能发出80毫烛光。设计人员可在安装时先测量LED在43mA满电流时所发出的亮度，然后产生类似图1的亮度直方图。图中第一排资料是以mA为单位的LED电流值，第二排则是以毫烛光为单位的LED亮度值。从图中可看出LED亮度在未采用像点修正功能时最多相差±10%，这种差异程度是高阶显示器无法接受的。驱动元件可以根据直方图所示资料个别调整、或是「像素修正」每颗LED的电流，使它们最后得以产生均匀亮度；例如它必须将满电流下的LED1亮度从83毫烛光调整至80毫烛光。TLC5940提供6位元（64阶）像点修正功能，其中每一阶都相当于满刻度的1.56%。

    下列公式可用来计算每颗LED的像点修正值：

    其中DCproduction是产品制造时所使用的像点修正值，Lbaseline是所要求的亮度，Linitial则是最大电流下所产生的亮度量测值。

    将计算所得的像点修正值四捨五入到最接近的分数值，再将它乘上原始亮度，即可得到新的LED亮度值。

    计算和储存每颗LED的像点修正资料后，再将LED驱动元件设定为最大电流，以便单独调整每颗LED的电流，如图2的直方图所示。只要将像点修正资料存入TLC5940晶片内建的EEPROM记忆体，系统就能在每次开机时取出这些像点修正资料，直到下一次重新校准为止。

动态亮度调整成为LED背光源TV必备功能

    广告看板、或大型显示器等室内/室外工业用显示器只需「静态」调整就已足够（校准值维持固定不变，直到工程人员重新调整这些校准值为止)；此时面板亮度的调整会与系统例行维护作业一起进行。然而新出现的各种市场应用却需要更先进的调整方法，尤其当这项技术逐渐融入消费性产品和家庭生活后，设计人员必须针对LED亮度随时间而改变的现象进行控制和调整。

    虽然这个转变过程仍在起步阶段，其所需的技术却已经存在。新力（40吋Qualia 005）以及三星（46吋LNR460D）都已推出采用LED背光源的液晶电视；但它们并非我们想像般使用白光LED，而是将红光、蓝光和绿光LED组合在一起并进行控制，以产生亮度可调整的白色光源。LED背光源有许多胜过传统灯泡的优点，像是电源效率更高、移动画面残影更少、色谱范围更广（某些场合大于105% NTSC)、寿命更长、以及色温可调整等；其画质更是传统光源无法比拟。另一方面，採用LED背光源的电视工程师不仅会面临传统面板制造商所遇到的亮度差异困扰，更会遇到温度带来的挑战；这是因为LED亮度随温度改变的特性会对电视背光应用造成极大影响。另外，这类电视若要提供最佳画质，就必须针对消费者家里不断变动的照明状况调整背光源的各项属性。这些技术考量，加上电视是一种消费应用的事实，让动态亮度调整成为LED背光源不可或缺的功能。

    要提供这类动态控制回路，电视内部必须安装感测器来测量LED温度和亮度变动，外部也要用感测器测量电视周围的亮度。最基本的控制回路会利用感测器搜集这些资料，再将测量结果送给处理器，处理器就会评估这些资料，并且指挥TLC5940之类的LED驱动元件进行调整。处理器会根据工厂设定的原始像点修正资料和新搜集的动态资料来产生新的像点修正值。

    在前面的例子里，若环境光源感测器发现周围亮度很低，使LED只需达到最大亮度的七成或56毫烛光就已足够，处理器就会计算出新的「环境光源」像点修正值为44.8。在这同时，如果温度上升导致LED亮度输出减少一成，处理器则会计算出「温度」像点修正值为71.1。综合这三个像点修正值即可计算出新的像点修正资料，以补偿这三种亮度变异所造成的误差：

        新力和三星的原型设计都是将LED串联以减少所需控制的LED数量，但要真正提供全动态的背光照明控制，我们仍须个别控制每一颗LED的亮度。为达到此目标，LED供应商正在发展新技术以提供更有弹性的LED连接方式。

    智能型电视背光源是推动家庭娱乐转型的另一项重要创新技术。初期产品的杰出表现更证明了在LED技术协助下，显示器画质会在未来几年内达到过去无法想像的境界，进而为消费者带来无比震撼的视觉飨宴。