如何采用PWM調(diào)光技術(shù)來(lái)提高LED屏幕的畫(huà)質(zhì)

視訊廣告板、超大屏幕等需要電源供應(yīng)、視訊編碼器、譯碼器、線路驅(qū)動(dòng)器、數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）等大量小型子系統(tǒng)共同運(yùn)作，才能提供視訊影像，卻鮮少人洞悉顯示系統(tǒng)中發(fā)光二極管（LED）驅(qū)動(dòng)器的功能。

如果仔細(xì)觀看視訊屏幕，會(huì)發(fā)現(xiàn)其中有數(shù)百個(gè)視訊面板，再更靠近一點(diǎn)，會(huì)發(fā)現(xiàn)各個(gè)面板有縱橫各十六條畫(huà)素，每個(gè)畫(huà)素由三個(gè)LED所組成，分別是紅色、綠色、藍(lán)色。各個(gè)LED的陽(yáng)極都連接到LED驅(qū)動(dòng)器的輸出，這些成千上萬(wàn)的LED驅(qū)動(dòng)器透過(guò)數(shù)十萬(wàn)個(gè)LED控制正向電流，才產(chǎn)生出視訊影像。

電子設(shè)計(jì)人員的挑戰(zhàn)在于如何使用LED驅(qū)動(dòng)器有效控制LED電流，大多數(shù)高階LED驅(qū)動(dòng)器能藉由多種方法控制系統(tǒng)中的電流，許多驅(qū)動(dòng)器具有可調(diào)整LED亮度的功能，例如點(diǎn)修正（DC）、脈沖寬度調(diào)變（PWM）調(diào)光及全局亮度控制（BC）。雖然這些功能可發(fā)揮相同的基本效用，也就是調(diào)整LED亮度，不過(guò)各自原有的用途皆不相同，只有了解如何適當(dāng)使用這些功能，才能提供最佳畫(huà)質(zhì)的視訊。

模擬/PWM調(diào)光　降低LED亮度

了解LED驅(qū)動(dòng)器的進(jìn)階功能之前，必須先了解兩種降低LED亮度的方法，分別是模擬調(diào)光和PWM調(diào)光。模擬調(diào)光是指改變通過(guò)LED的正向電流，若以一半的電流驅(qū)動(dòng)LED，其亮度也隨之減半。雖然無(wú)法確實(shí)達(dá)到1：1的比例，LED亮度和正向電流大致呈現(xiàn)線性關(guān)系。

PWM調(diào)光是指藉由開(kāi)啟及關(guān)閉電流，以變更電流的脈沖寬度，而非振幅。LED亮度可透過(guò)開(kāi)啟LED的時(shí)間百分比或負(fù)載周期加以控制。肉眼只能感受到大約60Hz以下的頻率響應(yīng)，若以高于60Hz的速率開(kāi)啟及關(guān)閉LED，肉眼只能感受到平均的LED亮度。大部分的顯示器都采用100Hz以上的PWM調(diào)光。對(duì)于固定PWM調(diào)光頻率，負(fù)載周期減少會(huì)導(dǎo)致LED亮度降低。圖1顯示將20毫安（mA）LED調(diào)光至25%亮度時(shí)，模擬調(diào)光及PWM調(diào)光兩者的比較，這兩個(gè)LED的亮度都相同。

圖1 模擬調(diào)光與PWM調(diào)光

點(diǎn)修正改變發(fā)光強(qiáng)度/頻譜

LED制造處理容差相當(dāng)不易控制，對(duì)于高質(zhì)量顯示器而言，兩個(gè)主要的LED特性是發(fā)光強(qiáng)度和頻譜純度。不過(guò)，不同LED所呈現(xiàn)的特性差異極大，即使是相同的LED制造批次也是如此。在理想的情況下，處理器運(yùn)用LED驅(qū)動(dòng)器以相同電流開(kāi)啟所有紅色LED時(shí)，可達(dá)到相同的亮度。然而事實(shí)上，以相同電流驅(qū)動(dòng)LED，亮度會(huì)有極大的差異。市面上一般的LED零件以相同的正向電流驅(qū)動(dòng)時(shí)，會(huì)呈現(xiàn)2：1的亮度差異。

如果不處理如此差異，LED面板會(huì)有極不佳的畫(huà)素間亮度匹配，而點(diǎn)修正可有效處理發(fā)光強(qiáng)度的差異。點(diǎn)修正是指將LED顯示器中各畫(huà)素或點(diǎn)的密度加以修正或正常化。調(diào)整通過(guò)個(gè)別LED的模擬電流即可達(dá)到如此的效果。面板制造完成后，必須在原廠進(jìn)行第一次點(diǎn)修正。測(cè)試設(shè)備可測(cè)量LED密度，并產(chǎn)生設(shè)定于IC之上的點(diǎn)修正系數(shù)，以調(diào)整LED亮度。

一般LED驅(qū)動(dòng)器可針對(duì)單一電阻的各個(gè)輸出設(shè)定LED電流上限。點(diǎn)修正使用模擬調(diào)光，將電流調(diào)整為電流上限的百分比程度。點(diǎn)修正所調(diào)整的位計(jì)數(shù)愈多，最終的LED亮度愈一致。6位點(diǎn)修正可提供從0毫安到Rset電阻定義電流上限的六十四種不同電流層級(jí)，能逐步以1.59%的比例調(diào)整正向電流;7位點(diǎn)修正能逐步以0.79%的比例調(diào)整正向電流。圖2顯示量產(chǎn)面板經(jīng)過(guò)點(diǎn)修正前后的亮度。

圖2 點(diǎn)修正前后的LED亮度

進(jìn)行點(diǎn)修正前，所有LED都有相同的正向電流，因此造成2：1的亮度差異。進(jìn)行點(diǎn)修正后，LED驅(qū)動(dòng)器能以不同的電流驅(qū)動(dòng)所有LED，使LED達(dá)到相同的亮度。值得注意的是，點(diǎn)修正必須能將亮度調(diào)整為低于面板中最暗LED的值。在許多面板合并為大型顯示器的生產(chǎn)環(huán)境中，必須將所有LED的亮度設(shè)定為等于或低于系統(tǒng)中最暗LED的亮度，因此LED的數(shù)據(jù)表應(yīng)該提供指定的亮度范圍下限。

點(diǎn)修正也可用來(lái)調(diào)整整個(gè)顯示器的亮度。在正午陽(yáng)光充足的戶(hù)外可使用全亮度，不過(guò)相同的亮度對(duì)于夜間或室內(nèi)就顯得亮度過(guò)高。將所有點(diǎn)修正值降低至先前值的百分比程度，也可降低整體面板亮度。如果系統(tǒng)使用點(diǎn)修正的IC，但不運(yùn)用點(diǎn)修正功能，則將所有點(diǎn)修正值設(shè)定為上限值的一半，即可達(dá)到50%的亮度。對(duì)于經(jīng)過(guò)7位點(diǎn)修正的LED驅(qū)動(dòng)器，將所有點(diǎn)修正值從一百二十七降低至六十三，即可達(dá)到50%的亮度。以下等式可設(shè)定使用點(diǎn)修正時(shí)LED的正向電流：

其中Imax是Rset設(shè)定的輸出電流上限，DCx是輸出x的點(diǎn)修正值，n是點(diǎn)修正的位數(shù)。對(duì)于以上范例，Imax等于40毫安，DC等于六十三，所有LED電流即設(shè)定為40毫安×63/127=19.84毫安。

如果系統(tǒng)已使用點(diǎn)修正功能達(dá)到一致的面板亮度，仍可使用點(diǎn)修正進(jìn)行調(diào)光。將點(diǎn)修正值設(shè)定為原始值的一半，可達(dá)到50%的調(diào)光效果。以7位點(diǎn)修正LED驅(qū)動(dòng)器為例，如果LED需要一百零八的點(diǎn)修正值，將電流設(shè)定為一致面板亮度所需的正確值，則將新的點(diǎn)修正值設(shè)定為54，即可調(diào)整為50%的亮度。

使用點(diǎn)修正調(diào)光點(diǎn)修正面板亮度的缺點(diǎn)是，亮度匹配的可用位有效數(shù)目會(huì)減少。

亮度控制精準(zhǔn)匹配亮度

為了維持確實(shí)的亮度匹配，同時(shí)達(dá)到整體面板的調(diào)光，高階LED驅(qū)動(dòng)器提供BC的個(gè)別緩存器，以達(dá)到整體面板調(diào)光之外的個(gè)別點(diǎn)修正效用。和點(diǎn)修正一樣，亮度控制也是透過(guò)模擬調(diào)光進(jìn)行。這兩者的差異在于，點(diǎn)修正可調(diào)整個(gè)別的LED，而亮度控制可同時(shí)調(diào)整多個(gè)LED。點(diǎn)修正及亮度控制緩存器的數(shù)目及配置均與IC有關(guān)。

舉例來(lái)說(shuō)，驅(qū)動(dòng)八顆LED為一組的三個(gè)LED組所用的二十四信道LED驅(qū)動(dòng)器包含二十四個(gè)點(diǎn)修正緩存器（每一個(gè)各用于個(gè)別 LED），其中包含三個(gè)亮度控制緩存器，每一個(gè)各用于個(gè)別LED組。另外還有十六個(gè)輸出LED驅(qū)動(dòng)器可驅(qū)動(dòng)十六個(gè)相同色彩的LED，其中包含十六個(gè)內(nèi)部點(diǎn)修正緩存器，并包含一個(gè)亮度控制器緩存器，可同時(shí)調(diào)整所有十六個(gè)輸出。區(qū)別點(diǎn)修正及亮度控制的功能有助于精準(zhǔn)控制LED亮度匹配，同時(shí)可進(jìn)行整體面板的調(diào)光。在包含點(diǎn)修正及亮度控制的IC中，LED電流是由兩種緩存器的值共同定義： 其中Imax是Rset設(shè)定的輸出電流上限，DCx是輸出x的點(diǎn)修正值，n是點(diǎn)修正的位數(shù)，BC是全局亮度值，m是亮度修正的位數(shù)。

PWM調(diào)光以低亮度維持色彩

精準(zhǔn)亮度控制只是高畫(huà)質(zhì)視訊中的一個(gè)環(huán)節(jié)，第二個(gè)環(huán)節(jié)是正確的色彩匹配。舊款顯示器使用模擬調(diào)光來(lái)設(shè)定色彩混合的LED亮度，對(duì)于色彩質(zhì)量有負(fù)面的影響。圖3顯示正向電流的變化和LED色彩變化間的關(guān)系。圖3的真實(shí)綠色LED針對(duì)此一特定LED定義全亮度（20毫安）的色彩。若要使用模擬調(diào)光達(dá)到25%的亮度，需要5毫安的正向電流。這使得色譜從525奈米（nm）變成531奈米，對(duì)于須要呈現(xiàn)真實(shí)色彩的顯示器而言，這是無(wú)法接受的程度。

圖3 數(shù)據(jù)源：Osram「InGaN LED 調(diào)光」色彩變化與正向電流的關(guān)系

PWM調(diào)光又可以稱(chēng)作灰階PWM調(diào)光，可消除LED調(diào)光有關(guān)的色彩變化。這類(lèi)調(diào)光能以呈現(xiàn)高畫(huà)質(zhì)視訊所需的低亮度，維持正確的LED色彩。不論LED的亮度為何，PWM調(diào)光都能使通過(guò)LED的電流保持一致，以消除LED色彩變化。彩色顯示器的各個(gè)畫(huà)素是由三個(gè)LED所組成，分別為紅色、綠色、藍(lán)色。藉由同時(shí)進(jìn)行紅色、綠色及藍(lán)色LED的脈沖與混合，畫(huà)素便能呈現(xiàn)多達(dá)六百八十七億種色彩。以下范例將說(shuō)明PWM調(diào)光。

為求簡(jiǎn)單明了，此范例僅使用PWM調(diào)光的三個(gè)位。3個(gè)位等于23=8個(gè)陰影色度，因此各個(gè)LED可設(shè)定為0～7PWM灰階程度。各個(gè)視訊框開(kāi)始時(shí)，所有LED均全部熄滅。在第一個(gè)PWM頻率的上升邊緣，所有LED都會(huì)亮起，只有以0灰階值設(shè)定的LED未亮起。各個(gè)PWM頻率周期開(kāi)始時(shí)，IC便會(huì)增加灰階計(jì)數(shù)器。各個(gè)LED會(huì)持續(xù)亮起，直到PWM灰階計(jì)數(shù)器超過(guò)LED設(shè)定的PWM值為止。

圖4 各個(gè)LED亮起以呈現(xiàn)橘色畫(huà)素的時(shí)間長(zhǎng)度

圖4顯示此一程序，其中呈現(xiàn)簡(jiǎn)化的3位PWM調(diào)光控制器的波形及區(qū)塊示意圖（圖5）。將紅色、綠色及藍(lán)色LED的灰階值分別設(shè)定為七、四及一，可在畫(huà)面上呈現(xiàn)橘色畫(huà)素。設(shè)定為四灰階值的綠色LED會(huì)在第一個(gè)PWM頻率周期的上升邊緣亮起，并且經(jīng)過(guò)四個(gè)完整PWM頻率周期持續(xù)亮起。這個(gè)3位PWM調(diào)光范例能針對(duì)各畫(huà)素產(chǎn)生五百一十二（23×23×23）種色彩。對(duì)于16位LED驅(qū)動(dòng)器，則可產(chǎn)生兩百八十一兆（216×216×216）種色彩。

圖5 顯示3位PWM調(diào)光如何產(chǎn)生橘色畫(huà)素的區(qū)塊示意圖

適當(dāng)搭配使用點(diǎn)修正、亮度控制及PWM調(diào)光，大屏幕上的影像更加完美無(wú)暇。如此完美的設(shè)計(jì)，使群眾對(duì)于大屏幕播放的影像產(chǎn)生響應(yīng)，而對(duì)于為了達(dá)到畫(huà)素間亮度匹配、使顯示器亮度配合環(huán)境光線條件、混合色彩以呈現(xiàn)完美影像等方面的關(guān)注與努力，則悄然潛藏在光彩奪目的熒光幕后。
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