數碼相機TFT-LCD的背光及亮度調整方式設計

　　TFT-LCD液晶面板主要是由兩塊無鈉玻璃夾著一個由偏光板、液晶層和彩色濾光片構成的夾層所組成。偏光板、彩色濾光片決定了有多少光可以通過以及生成何種顏色的光線。

　　TFT-LCD液晶顯示器的缺點在于亮度、畫面均勻度、可視角度和反應時間上與CRT顯示器有比較明顯的差距。其中反應時間和可視角度均取決于液晶面板的質量，畫面均勻度和輔助光學模塊有很大關系。而液晶顯示器的亮度主要取決于背光光源。
 
TFT-LCD的兩種背光方式
 
　　早期采用高壓驅動氖管作為數碼相機的背光光源，因為高壓氖管的背光驅動線路復雜,要求驅動電壓高,背光不均勻,已逐步淘汰。因此，高亮度發光二極管(LED)取代高壓氖管成為TFT-LCD背光驅動的主流。
 
　　半導體LED，尤其是氮化物白光發光二極管，具有如下優點_體積小、電壓低、壽命長、回應快、無頻閃、耗能少、發熱少等，正逐漸成為新一代綠色、節能、環保、長壽命全固體照明光源。TFT-LCD液晶背光源現已幾乎全部使用LED背光光源。
 

背光LED的電流驅動
 
TFT-LCD背光亮度調整及驅動的兩種方法：
 
背光電流驅動電路，如圖1所示。
 
　　說明：（1）VD：TFT-LCD背光工作直流電源，大小依LCD廠商提供的規格設計。（2）三極管Q1，Q2組成一個恒流源電路，Q1 Q2 工作在放大狀態，當Q2工作時，調節B極電阻R22使Q2的C極電流達到額定電流值。因為LED發光二極管，導通后內阻會變小，電流會逐漸增大，增加Q1 目的是分流Q2的B極電流，調節反饋電阻R20就可以控制流過背光發光二極管的電流并通過Q1 使電流達到穩定。
 
　　（3）LCD_BL是CPU 控制信號,此信號為方波, 信號頻率是固定的,例如7.5KHz。通過軟件調節改變信號占空比,控制Q2 導通時間,可控制單位時間內流過發光二極管的電流,改變TFT-LCD的亮度。
 
　　 (4) TFT-LCD亮度設定一個默認值0,將亮度分為7~11 個等級,即-5/-4/-3/-2/-1/0/1/2/3/4/5，如廠商提供的LCD背光電流標稱值為20mA,則意味調整背光電流最好不要超過此值太多,否則對背光LED壽命有影響。由于背光LED單體差異,當工作電流小于標稱值時,LED的發光亮度差異比較大。下表數據為某相機使用以上電路作為TFT-LCD 背光亮度調整對,對同一款TFT-LCD測試獲得的數據。
 

LCD背光測試資料
 

LCD亮度等級-5 0 5
 

電流電壓電流電壓電流電壓
 

1 # 4mA 13.5V 4mA 13.5V 15mA 13.5V
 

2 # 4mA 13.5V 4mA 13.5V 16mA 13.5V
 

3 # 4mA 13.5V 15mA 13.5V 19mA 13.5V
 

4 # 5mA 13.5V 17mA 13.5V 21mA 13.5V
 

備注_亮度等級_-5, LCD_BL duty=30%
 

0 default ,LCD_BL duty=60%
 

-5, LCD_BL duty=95%
 

　　從以上測試結果資料發現,在default 0 時,1#和2#級LCD亮度是低于亮度要求標準,(亮度標準不小于250 cd/m2,表中只列出背光電流值,沒有列出測試的亮度數值)并且工作電流遠小于規格要求。
 
　　(5)相機背光亮度軟件設定的default 0,采用輸出占空比為60%~70%,在此默認值情況下調節電路,使背光電流恒定在廠商要求的規格（如20mA）可以確保TFT-LCD亮度值比較穩定。
 
　　以上電路雖然線路簡單,軟件調整方便,但實際效果不理想, 因為背光LED差異,很難確保TFT-LCD亮度控制的一致性。新一代相機都使用恒流源背光,用軟件調整信號幅度來實現亮度調整。 
  
　　MAXIM公司 MAX1567 是許多數碼相機使用的一款電源芯片，它內部集成有六個通道,可提供六路電源給相機使用,軟啟動電路也集成在IC內部,確保在開機時不會出現大電流。其中MAIN、SET-UP、SET-DOWN三個通道的MOSFET都集成在IC內部，為PCB設計小型化提供了方便,DL1~DL3三個通道根據設計者的要求可做為升壓型或降壓型電路使用，其中DL3通道又可做為一個背光恒流源通道使用。以TOPPLY公司的TP018A LED為例，規格要求背光電壓為10.5V,電流為20mA,所以電路設計選用升壓型電路,為確保電池在低電壓狀態下能夠比較容易開機，電感L計算后選取3.3uH,使升壓型電路工作在非連續模式。
 
　　說明：(1)升壓電路輸出電壓調節:電阻R1, R2 串聯到地,R2 上的分壓反饋給ICPIN1腳,此腳內部OFFSET電壓為1.25V,要求電流小于100nA,電阻R1和R2計算如下：
 

VOUT=10.5V,
 

ILEAKCURRENT= VOUT/R1<100nA, 則R1>105ＭΩ,選取R1=110ＭΩ
 

由VFBH=VOUT*R2/(R1+R2)=1.25，計求得R2=14.8ＭΩ，
 

　　(2)電流反饋回路電阻選取: TP018A LED背光電流為20mA,PIN39為電流反饋端,內部OFFSET電壓為0.2V,輸入阻抗非常大,電阻R接近于串聯在背光LED電路中,可得出R=10Ω。
 
　　(3)恒流調節過程:當FB3L腳OFFSET電壓為0.2V時,說明背光電流達到規定值20mA,當PIN39引腳反饋電壓小于0.2V時,即背光電流未到規定值,則升壓電路控制端PIN35 輸出的控制信號占空比增大,使輸出電路電壓升高,從而提高驅動電流,達到恒流設計的20mA為止。
 
　　(4) 在設計測試過程中發現,因TFT-LCD單體差異,即使背光電源達到規定要求的10.5V,電流也未必達到20mA,所以亮度會有差異。解決的辦法是升壓電路輸出電壓設計值要比規定要求的10.5V高一些,根據測試調節值分析,比規定值高出2~3V比較合適。依VOUT=13.5V設計,求得R1=140ＭΩ,R2=14.2ＭΩ。從而確保TFT-LCD背光亮度的一致性,此設計通過生產驗證達到設計目的。
 
　　(5)TFT-LCD輸入信號一般有模擬及數字兩種方式,對于模擬輸入信號,通過軟件調節R,G,B三基色信號的幅值,并由示波器測量可達到控制亮度的目的。
 
　　具體軟件調節方式的軟件程序在此不詳細列出。
 
結語
 
　　通過以上TFT-LCD背光亮度調整及驅動兩種方式的分析, 第二種TFT-LCD背光恒流電路及軟件亮度調整是一種比較理想的方式,在數碼相機應用中得到了驗證,是一款比較合理的解決方案。
 

參考文獻:
 

1.MAX1566/1567 IC DATASHEET
 

2.TOPPLY TFT-LCD TP018A SPEC 2003 DATASHEET