作者/ David Gamperl 艾邁斯半導體

摘要：分辨率是電視和顯示屏制造商的核心競爭領域。但在HDR(高動態(tài)范圍)顯示屏推出后，消費者開始了解到對比度同樣對觀看效果有著巨大的影響。本文介紹了提高對比度遇到的挑戰(zhàn)，以及艾邁斯半導體開發(fā)的創(chuàng)新LED驅動控制技術的解決方法。

引言

　　分辨率是電視和顯示屏制造商的核心競爭領域。消費者愿意花費更高的價錢購買HD(高清晰度)顯示屏及最近的4K顯示屏。未來超高清的8K顯示屏將會取代當前這一代高端電視。

　　在HDR(高動態(tài)范圍)顯示屏推出后，消費者開始了解到對比度同樣對觀看效果有著巨大的影響(如圖1)。HDR顯示屏可以通過在最明亮的淺色和最深、最暗的黑色之間形成更大的對比，為消費者帶來更精彩生動的觀看體驗。

　　但是，顯示屏制造商在開發(fā)新的HDR顯示屏時需要解決一個電力系統(tǒng)的設計問題：高對比度不僅需要一個具有非常高亮度的背光燈來真實再現圖像極亮的部分，而且高電流的背光電路還必須能輸出非常暗的光來正確渲染圖像較暗的部分。同時，電視制造商必須滿足諸如美國能源部推出的ENERGY STAR?能源之星計劃這樣的嚴苛法規(guī)法令，該計劃嚴格限制了新電視的平均能耗。

　　傳統(tǒng)的PWM背光調光方法最多只能在最高和最低電流之間實現1:1000的比率。如果一個功率控制器IC只支持數字PWM調光方法，那么在用于高性能的HDR顯示屏時就會導致浪費電能，而且圖像質量也會受影響。因此需要一種新的電視背光控制方法來進一步拉大最高和最低亮度的差距，并對顯示屏各區(qū)域的背光進行精細的局部控制。

HDR顯示屏對峰值照度的新要求

　　Dolby憑借其Dolby Vision?項目成為向世人展示了高性能HDR電視的公司。在其2015年展示的產品中，顯示屏峰值亮度達到了4000尼特。相比而言，如今的HD或4K電視的峰值亮度一般都在300尼特左右。在峰值照度顯著提升后，電視就能真實再現極亮的圖像，并加大亮暗之間的對比度。

　　這種大對比度使得HDR顯示屏看起來非常舒服，但同樣也給電力系統(tǒng)的設計出了道難題。因為，如果要正確再現深藍色、黑色和灰色，背光燈需要調到非常暗。這意味著如果峰值亮度為4000尼特，而傳統(tǒng)的PWM控制器最多只能調暗至峰值亮度的0.1%，如此一來，最低的顯示屏亮度就不夠低，深黑色就會全部被渲染成偏灰的顏色。

　　現實中，如今HDR顯示屏的制造商會把峰值亮度定在約為800~1000尼特，雖然提升了對極深顏色的渲染，但也降低了最亮顏色的生動性。

　　如果只依靠數字PWM控制是無法解決這一問題的：PWM控制的MOSFET有特定的最小占空比，這具體取決于關斷延遲和下降時間。而關斷延遲和下降時間是電力設備中的硅的基本屬性，這些屬性會阻止PWM控制器將亮度調到峰值輸出的0.1%以下。

局部調光如何幫助提升顯示屏的對比度

　　顯示屏背光照明的方式會影響到對比度和調光布置。如今家庭中使用的大部分帶LED背光的電視都屬于側光式，采用全局動態(tài)調光。也就是說如果圖像大部分都較為明亮，那么整個顯示屏的背光就會以全功率或接近全功率運作，如果圖像大部分都較暗，那么整個顯示屏的背光就會調到較低水平。因此，全局動態(tài)調光不適合HDR顯示屏，尤其是因為它在處理需要同時顯示明暗部分的圖像(如圖1)時效果很差。

　　這意味著HDR技術需要帶局部調光的直下式背燈照明，這種結構要求更多的LED、更多LED通道和更為復雜的LED驅動系統(tǒng)，當然價格也更為昂貴。但是，如果將顯示屏的背光照明系統(tǒng)分成一個個區(qū)域(如今的47寸直下式背光照明電視通常分為16到256個區(qū)域)，那么每個區(qū)域的背光亮度就可以與其所顯示的圖像部分的內容準確匹配。這樣，深暗藍色就可以與亮白色同時顯示，同時也不會因為對圖像較暗部分進行背光照明而浪費電力。

　　局部調光方法需要LED驅動器與視頻或圖形處理器(GPU)同步。如果設備之間的接口允許，則背光驅動器可以直接由GPU控制。

　　通過采用艾邁斯半導體的AS3824 LED背光燈控制器可實現局部調光。圖2顯示了垂直同步信號(VSYNC——艾邁斯半導體LED控制器的一項專利功能)可以用于標記每個新建幀的開始，從而為背光燈控制器提供一個同步輸入。圖中，幀1在區(qū)域1中圖片較亮，因此需要非常高的PWM占空比，而在區(qū)域n中渲染的是圖像較暗的部分，所以占空比較低。而在幀2中，新的視頻內容意味著須更換這兩個區(qū)域的亮度。在幀1過程中GPU會發(fā)送指令為區(qū)域1和區(qū)域n提供新的PWM占空比，而這兩個區(qū)域的信號在幀2的上升沿進行刷新。

　　圖2顯示了VSYNC上升/下降沿與PWM信號的上升沿之間的延時。這一延遲可在AS3824控制器中設置：這就讓顯示屏制造商能夠根據LCD像素的打開時間進行延遲補償，使控制器能準確地在像素打開時點亮LED，這樣就可以提高圖像質量，并將功耗降到最低。延遲打開PWM還可以降低LED電源的負荷，減少系統(tǒng)所產生的噪音和干擾。

模擬調光：一種增強峰值亮度的方法

　　諸如AS3824這樣的多通道LED控制器可以對16個通道進行單獨控制，從而實現屏幕各區(qū)域的精細調光。通過菊花鏈式結構最多可以將32個AS3824 IC經由各自的SPI接口連接到一起，從而控制帶有16個區(qū)域以上的顯示屏(見圖3)。

　　但HDR顯示屏制造商仍就面臨著對比度的問題。他們如何既保留渲染非常暗的顏色的能力又能夠將峰值亮度提升到1000尼特以上呢?答案就是AS3824控制器IC中引入的一種專利創(chuàng)新：一種增強PWM控制電流的模擬方法。它最多能夠將PWM信號所控制的電流增強到基礎水平的8倍，從而更好地對圖像最亮的部分進行照明。同時，處理最暗部分的通道可以只使用基礎模擬LED電流的10%，PWM占空比也最小，可能只有0.1%。換言之，調光方案中數字PWM的動態(tài)范圍保持不變，而額外的模擬部分則拓寬了整體(模擬+數字)動態(tài)范圍(見圖4)。

　　這一額外的模擬調光通過集成在AS3824中的DAC實現。根據顯示屏視頻處理器或GPU提供的數字輸入信號DAC會提供一個基準電壓。該基準電壓放大后用于控制為通道上的LED供電的FET電流的幅度。實際上，模擬電流控制是一種以同步脈沖寬度調制和脈沖幅度調制為基礎的電源方案。

　　AS3824可以用于驅動額定電流較高的FET或BJT。外部開關電源的輸出電壓一定要與其所連接的LED串的電壓要求相匹配。過大的FET供電電壓余度會導致功率損耗并降低系統(tǒng)效率。

　　通過調節(jié)經R1流至其反饋(FB)引腳的電流，AS3824的DC-DC反饋功能可與任意類型的DC-DC轉換器(升壓或降壓)以及其它諸如LLC控制器之類的轉換器相配合來調節(jié)FET的供電電壓。反饋功能的控制可通過SPI進行設置。在手動反饋模式下，SMPS的輸出電壓可以直接通過AS3824進行調節(jié)。換言之，AS3824始終對SMPS的輸出電壓進行完全的控制，因此能夠將系統(tǒng)功率損失降到最低。

精密的電源控制帶來更高的對比度

　　使用AS3824控制器來控制LED背光照明不僅可以實現對直下式背光顯示屏的精細、多通道控制，而且其帶來的模擬+數字調光范圍是傳統(tǒng)的僅使用數字PWM調光的LED背光控制器的數倍。這樣能大幅提高對比度，從而允許對顯示屏一些區(qū)域中最亮的白色進行再現，同時還能渲染另一些區(qū)域深暗的藍色和灰色，最終帶來的觀看體驗要遠勝于如今的HD和4K電視和顯示屏。

　　16通道的AS3824是AS382x系列LED背光控制器的最新成員，專門用于HDR顯示屏。該系列中的其它產品有16通道的AS3820、12通道的AS3821、8通道的AS3822和6通道的AS3823。

小結

　　本文介紹了艾邁斯半導體開發(fā)的創(chuàng)新LED驅動控制技術，它將模擬電流控制與傳統(tǒng)的PWM調光技術相結合，調光范圍大大超出了僅使用數字PWM的控制方法。這讓顯示屏制造商能夠實現遠高于當前市場上的對比度，并顯著提升觀看體驗。

本文來源于《電子產品世界》2017年第1期第79頁，歡迎您寫論文時引用，并注明出處。