液晶顯示屏LED背光源均勻亮度控制

發光二極管（LED）在各種終端設備的廣泛應用早已讓許多人跌破眼鏡：從汽車頭燈、交通號志、文數字顯示器、廣告廣告牌、與大型顯示器等現有技術，到一般大樓照明設備以及液晶顯示器背光源等其它應用，日益盛行的LED光源使得最普遍的產品也要隨之重新設計。隨著效率和亮度不斷增加以及成本持續下降，LED終將取代傳統光源成為消費性應用的主要照明來源。本文將針對液晶顯示器的LED背光源與其它大型顯示器的光源技術進行比較，藉以說明LED應用設計所需面對的挑戰。

像點修正技術解決LED亮度差異問題

體育館或廣告用的大型看板通常包含數十組顯示面板與數千顆LED。在每塊顯示區內，每顆LED（又稱為像素）所發出的亮度差異也會很大；通常最亮和最暗的LED相差可達15%至20%以上，這使廠商必須持續解決品質和管理等困難問題。雖然所有LED應用都會遇到這類問題，但在動態視頻顯示等需要均勻亮度的高品質應用上卻顯得特別嚴重。制造商大都采取兩種方法來彌補亮度差異，一種方法是向供應商購買亮度相近的LED；另一種方法則是采用內含「像點修正（dotcorrection）」能的高品質LED驅動元件。

亮度相近的LED有許多優點，其價格通常也較高。供應商會先測量LED在特定電流下的亮度，然后把亮度相近的紅光、綠光和藍光LED組合在一起。這種方法可在最不影響設計的情形下為低階照明系統提供均勻亮度；其缺點則是每顆LED的亮度耗損速度都不同，因此經過一段時間后亮度又會變得不均勻。這項缺陷使它僅能做為短期解決方案，否則經過一兩年后，畫面又會變成一塊一塊。除此之外，若面板發生故障而需要更換，新面板與原有面板的亮度也會出現極大差異。

高階顯示器系統對于亮度匹配的要求更為嚴苛，單靠采用亮度相近的LED并無法滿足這類應用的要求。因此為了讓像素和面板在顯示器壽命L期內都能維持均勻亮度，制造商會選用內建像點修正功能的先進LED驅動元件。像點修正是藉由調整個別LED電流來管理像素亮點的一種方法：處理器只需控制送到整塊LED顯示區的總電流，再由LED驅動元件調整個別LED電流來產生均勻亮度；這表示處理器可將其運算效能用于其它工作，而不需為了均勻亮度而查詢表格或在每個更新L期針對每顆LED進行復雜的乘法運算。為了提供像點修正功能，制造商會透過畫面擷取測量每顆LED的亮度，再將系統最暗的LED指定為基準LED，然后將其它像素的亮度調整成和基準LED相同；調整方式則是根據LED輸出亮度將每個像素的電流減少一定比例。德州儀器（TI）的TLC5940或其它類似元件都會將每顆LED的像點修正值儲存在晶片內建的EEPROM記憶體，或是在每個更新L期當中做動態修改。這種雙重像點修正方式很有彈性，它既能在外界照明條件改變時更新整個面板的亮度，又能提供長期保存像點修正資訊以確保面板亮度均勻。只要像素亮度隨時間出現變化，或是面板因為故障而需要調整和更換，工程人員隨時都能更新EEPROM資料。我們將用下列例子來說明這種做法。

實際操作案例

為簡單起見，此處只考慮同一種顏色的16顆LED，它們來自于多組面板和數千顆LED所組成的大型顯示系統。我們假設綠色像素的綠光LED必須發出80毫燭光才能達到面板對于綠色像素的亮度要求。設計人員選擇的LED則為OsramLPE675，它在50mA標準電流下的亮度可分為45-56、56-71、71-90以及90-112毫燭光等四個等級；這表示只要選擇亮度最高的一組LED，就能確保每顆亮度至少能達到80毫燭光。TLC5940之類的元件最多能驅動16顆LED，每顆元件只需要一顆電阻來設定最大電流值。選擇此電阻時應確保其設定之電流足以讓最暗的LED發出80毫燭光，LPE675元件資料表顯示它需要43mA的驅動電流才能發出80毫燭光。設計人員可在安裝時先測量LED在43mA滿電流時所發出的亮度，然后產生類似圖1的亮度直方圖。圖中第一排資料是以mA為單位的LED電流值，第二排則是以毫燭光為單位的LED亮度值。從圖中可看出LED亮度在未采用像點修正功能時最多相差±10%，這種差異程度是高階顯示器無法接受的。驅動元件可以根據直方圖所示資料個別調整、或是「像素修正」每顆LED的電流，使它們最后得以產生均勻亮度；例如它必須將滿電流下的LED1亮度從83毫燭光調整至80毫燭光。TLC5940提供6位元（64階）像點修正功能，其中每一階都相當于滿刻度的1.56%。

下列公式可用來計算每顆LED的像點修正值：

其中DCproduction是產品制造時所使用的像點修正值，Lbaseline是所要求的亮度，Linitial則是最大電流下所產生的亮度量測值。

圖1：像點修正前的LED亮度和順向電流直方圖

將計算所得的像點修正值四撾迦氳階罱詠的分數值，再將它乘上原始亮度，即可得到新的LED亮度值。

計算和儲存每顆LED的像點修正資料后，再將LED驅動元件設定為最大電流，以便單獨調整每顆LED的電流，如圖2的直方圖所示。只要將像點修正資料存入TLC5940晶片內建的EEPROM記憶體，系統就能在每次開機時取出這些像點修正資料，直到下一次重新校準為止。

圖2：像點修正后的LED亮度和順向電流直方圖

動態亮度調整成為LED背光源TV必備功能

廣告看板、或大型顯示器等室內/室外工業用顯示器只需「靜態」調整就已足夠（校準值維持固定不變，直到工程人員重新調整這些校準值為止)；此時面板亮度的調整會與系統例行維護作業一起進行。然而新出現的各種市場應用卻需要更先進的調整方法，尤其當這項技術逐漸融入消費性產品和家庭生活后，設計人員必須針對LED亮度隨時間而改變的現象進行控制和調整。

雖然這個轉變過程仍在起步階段，其所需的技術卻已經存在。新力（40Qualia005）以及三星（46LNR460D）都已推出采用LED背光源的液晶電視；但它們并非我們想像般使用白光LED，而是將紅光、藍光和綠光LED組合在一起并進行控制，以產生亮度可調整的白色光源。LED背光源有許多勝過傳統燈泡的優點，像是電源效率更高、移動畫面殘影更少、色譜范圍更廣（某些場合大于105%NTSC)、壽命更長、以及色溫可調整等；其畫質更是傳統光源無法比擬。另一方面，裼LED背光源的電視工程師不僅會面臨傳統面板制造商所遇到的亮度差異困擾，更會遇到溫度帶來的挑戰；這是因為LED亮度隨溫度改變的特性會對電視背光應用造成極大影響。另外，這類電視若要提供最佳畫質，就必須針對消費者家里不斷變動的照明狀況調整背光源的各項屬性。這些技術考量，加上電視是一種消費應用的事實，讓動態亮度調整成為LED背光源不可或缺的功能。