一种电视新型背光调光方式及应用

  作者:胡向峰,盘桥富,杨文祥(创维集团显示科技事业部研究院,深圳 518108) 时间:2021-12-23来源:电子产品世界

编者按:目前LED液晶电视大多采用传统的PWM调光技术,模组背光灯条以设定的频率亮灭变化,引起频闪现象,长期观看会引起眼睛干涩、不适等症状。


摘要:也有部分电视为了解决频闪问题采用传统的模拟调光技术,使得模组灯条的调节范围有限,很难实现全范围调光,同时,由于模拟调光技术会引起高亮电视画面和低亮电视画面的色温差异,因此为了解决LED电视收看时不出现闪烁,有效保护眼睛,获得舒适的观看体验,同时,为了解决模拟调光限制和亮暗画面的色温偏差,特提出一种新型模拟调光和PWM调光相结合的互补式调光技术(简称APC调光技术),彻底解决了模拟调光或PWM调光技术各自的缺陷,成为TV行业或其他显示行业全新的一种背光调节技术。

0   引言

目前,LED TV 及其他显示类设备的模组背光主要采用两种调光方式:模拟调光(analog dimming)和脉冲宽度调制(pulse width modulation,PWM)[1]

模拟调光因调光范围较窄(一般为10%~100%),模拟调光技术不能满足显示设备从亮到暗的全范围调光,此外,随着LED 电视使用的模组灯条电流不断增大,在最暗状态时,模组背光调节灯条电流较大,导致LED电视屏幕依然较亮,因此在LED TV 中较少使用。

PWM调光技术是目前行业内普遍采用的调光方式,广泛应用于各类LED 显示设备。通过调节PWM占空比,调节范围较宽(一般为1%~100%),能够实现LED电视背光由暗到亮控制的全范围调节,但是,PWM 调光时模组灯条按照调光频率周期性的出现“亮- 灭-亮- 灭”交替变化,导致频闪现象发生,电视或其他显示设备的屏幕闪烁会迫使人眼“眼睫肌”处于紧张的快速张合状态,加快疲劳速度,久而久之,会对眼睛造成伤害。

因此,本文提出了一种新型调光方式“模拟-PWM互补式”调光技术(analog-PWM complementary dimming technology),简称APC 调光技术。

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图1 LED电视恒流系统框图

1   传统调光技术方案

在LED TV 行业,大多采用PWM 调光技术,在显示器行业,大多采用模拟调光技术,也称直流调光技术(DC 调光),不管采用何种调光方式,其恒流系统原理框图基本一致,如图1 所示。

Unit1 是电源系统(PSU),为主板系统和恒流系统供电,同时,经过电压变换电路为模组灯条供电。Unit2 是主板系统(mainboard),为恒流控制系统提供使能信号(ENA)和调光信号(ADJ),其中,ENA 用于开启恒流驱动器,ADJ 为调光信号。

Unit3 是恒流控制器(LED driver),用于实现模组灯条恒流控制。其中,Q1 为调光MOS,既可以是恒流控制器的内置MOS,也可根据设计需要,采用外置MOS 匹配。

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注:上图中的PWM 信号和电流信号不代表背光从0~100% 的实际变化。

1)模拟调光

从图1 中可以看出,自主板系统发出ADJ 信号,送至恒流系统的ADIM 脚,此时,PWM 脚被屏蔽,模组灯条中的电流波形如图2(a)所示。从中可见,当主板SoC 发出ADJ 脉冲调光信号,经恒流系统转换为模拟调光信号。当调光占空比恒定时,灯条电流为恒定的直流波形;当TV 菜单中的背光调节从0~100% 变化时,ADJ 的占空比随之增大,对应的灯条电流值亦随之增加,整机从暗逐渐变亮[2]。需要说明的是,由于模拟调光的调节范围有限(调光比较小),当背光调至0 时,屏幕依然较亮。例如,以OZ9902D 为例(调光比为3:1),灯条电流为800 mA(100% 占空比),则当背光调至0时,灯条电流值为:

Iav = Ipk ×33.33% = 800×33.33% = 266.6 mA

从上述计算结果可以看出,当系统调制最暗时,灯条电流仍有266.6 mA,液晶屏幕依然较亮,不能满足从暗到亮(或从亮到暗)的全范围变化要求,因此,在实际TV 设计中较少使用。

2)PWM 调光

根据图1,自主板系统发出ADJ 信号,送至恒流系统的PWM 脚,此时,ADIM 脚被屏蔽,模组灯条中的电流波形如图2(b)所示。从图中可以看出,当主板SoC 发出ADJ 脉冲调光信号,送至恒流系统,当调光占空比恒定时,灯条电流为相同频率的脉冲电流;当TV 菜单中的背光调节从0~100% 变化时,ADJ 的占空比随之增大,对应的灯条电流波形占空比值亦随之增大,整机从暗逐渐变亮。由于PWM 脉冲变化范围较宽,一般恒流方案可满足1%~100% 的变化范围,因此,当背光调至0 时,主板SoC 软件可调至1% 的占空比,同样以灯条电流为800 mA(100% 占空比)为例,灯条电流最小值为:

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因此,当系统调至最暗时,灯条电流只有8 mA,液晶屏幕实现从暗到亮(或从亮到暗)的全范围变化要求,可在实际应用中广泛使用。但是,在PWM 控制方式下,灯条电流“亮- 灭- 亮- 灭”交替变化,导致频闪现象,同时,电源始终工作的动态负载情况下,系统的EMI 效果较差。

2   APC调光技术

APC 调光技术是针对目前传统的模拟调光和PWM调光各自存在的问题提出的一种结合两者优势的新调光方式。APC 调光技术有3 个关键技术点:互补调光控制技术,低亮高频调光技术,互补分界点可调技术。

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注:上图中的PWM 信号和电流信号不代表背光从0~100% 的实际变化。

1)互补调光控制技术

如图3(a)所示,当主板系统发出ADJ 调光脉冲信号(即PWM 调光信号)送至恒流控制器后,恒流控制器接收外部背光从0~100% 变化,对应调光信号占空比在a 点由PWM调光段(part1)转至模拟调光段(part2),对应灯条电流变化亦由PWM 电流波形转至直流,此后到最大占空比(对应背光为100%)的过程中,灯条电流均为DC 调光电流,实现互补调光,从而实现了全范围调光。

2)低亮高频调光技术

APC 调光技术另一个特点是:在低亮段(背光从0~a 范围内),PWM 调光频率(part1)经倍频电路转化为20 kHz 以上调光频率,原因为:①在PWM 调光段内,消除电视画面的频闪问题;②根据人耳能听到声音频率范围20 Hz~20 kHz,该调光方式可消除了低亮段调光时电路的噪声问题。

3)互补分界点可调技术

由于LED 电视尺寸大小及模组灯条电流大小不同,根据实际画质调试需要,为了弥补低亮度色温偏差问题,设置了互补分界点比较电路,可根据实际需要灵活调节模拟调光和PWM调光的分界点,以满足画质调节的需要。通过以上分析可以看出,APC 调光技术既避开了模拟调光和PWM 调光各自的缺点,又充分体现了模拟调光和PWM 调光各自的优点。表1 从理论和实验结果分别对比了模拟调光、PWM 调光及APC 调光3 种方式的优缺点,可做设计参考。

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3   结束语

本文详细介绍了传统调光技术的原理和存在的问题,提出了一种全新的模拟-PWM 互补式调光技术(APC 调光技术),详细介绍了APC 调光技术的3 种关键技术,即互补调光控制技术、低亮高频调光技术和互补分界点可调技术;对APC 互补式调光技术做了明确定义;还从理论上和实验结果对3 种调光技术做了对比分析。从中可以看出,APC 互补式调光技术避开了模拟调光技术和PWM 调光技术的缺点,结合了两者的优点,将成为显示行业一种新的调光技术,为调光技术大家庭中增添了新的一员,具有很大的实用价值和广泛的应用前景。

参考文献:

[1] WINDER S.LED驱动电路设计[M].谢运祥,王晓刚,译.北京:人民邮电出版社,2009.

[2] 张占松,蔡宣三.开关电源的原理与设计[M].北京:电子工业出版社,2004.

(本文来源于必威娱乐平台 杂志2021年12月期)

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关键词: 模拟调光 PWM调光 APC调光技术 202112

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