提升屏幕影像畫質 LED調光技術關鍵至極

視訊廣告板、超大屏幕等需要電源供應、視訊編碼器、譯碼器、線路驅動器、數字信號處理器(DSP)等大量小型子系統共同運作，才能提供視訊影像，卻鮮少人洞悉顯示系統中發光二極管(LED)驅動器的功能。

如果仔細觀看視訊屏幕，會發現其中有數百個視訊面板，再更靠近一點，會發現各個面板有縱橫各十六條畫素，每個畫素由三個LED所組成，分別是紅色、綠色、藍色。各個LED的陽極都連接到LED驅動器的輸出，這些成千上萬的LED驅動器透過數十萬個LED控制正向電流，才產生出視訊影像。

電子設計人員的挑戰在于如何使用LED驅動器有效控制LED電流，大多數高階LED驅動器能藉由多種方法控制系統中的電流，許多驅動器具有可調整LED亮度的功能，例如點修正(DC)、脈沖寬度調變(PWM)調光及全局亮度控制(BC)。雖然這些功能可發揮相同的基本效用，也就是調整LED亮度，不過各自原有的用途皆不相同，只有了解如何適當使用這些功能，才能提供最佳畫質的視訊。

模擬/PWM調光　降低LED亮度

了解LED驅動器的進階功能之前，必須先了解兩種降低LED亮度的方法，分別是模擬調光和PWM調光。模擬調光是指改變通過LED的正向電流，若以一半的電流驅動LED，其亮度也隨之減半。雖然無法確實達到1：1的比例，LED亮度和正向電流大致呈現線性關系。

PWM調光是指藉由開啟及關閉電流，以變更電流的脈沖寬度，而非振幅。LED亮度可透過開啟LED的時間百分比或負載周期加以控制。肉眼只能感受到大約60Hz以下的頻率響應，若以高于60Hz的速率開啟及關閉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調光。對于固定PWM調光頻率，負載周期減少會導致LED亮度降低。圖1顯示將20毫安(mA)LED調光至25%亮度時，模擬調光及PWM調光兩者的比較，這兩個LED的亮度都相同。

圖1 模擬調光與PWM調光

點修正改變發光強度/頻譜

LED制造處理容差相當不易控制，對于高質量顯示器而言，兩個主要的LED特性是發光強度和頻譜純度。不過，不同LED所呈現的特性差異極大，即使是相同的LED制造批次也是如此。在理想的情況下，處理器運用LED驅動器以相同電流開啟所有紅色LED時，可達到相同的亮度。然而事實上，以相同電流驅動LED，亮度會有極大的差異。市面上一般的LED零件以相同的正向電流驅動時，會呈現2：1的亮度差異。

如果不處理如此差異，LED面板會有極不佳的畫素間亮度匹配，而點修正可有效處理發光強度的差異。點修正是指將LED顯示器中各畫素或點的密度加以修正或正常化。調整通過個別LED的模擬電流即可達到如此的效果。面板制造完成后，必須在原廠進行第一次點修正。測試設備可測量LED密度，并產生設定于IC之上的點修正系數，以調整LED亮度。

一般LED驅動器可針對單一電阻的各個輸出設定LED電流上限。點修正使用模擬調光，將電流調整為電流上限的百分比程度。點修正所調整的位計數愈多，最終的LED亮度愈一致。6位點修正可提供從0毫安到Rset電阻定義電流上限的六十四種不同電流層級，能逐步以1.59%的比例調整正向電流;7位點修正能逐步以0.79%的比例調整正向電流。圖2顯示量產面板經過點修正前后的亮度。

圖2 點修正前后的LED亮度

進行點修正前，所有LED都有相同的正向電流，因此造成2：1的亮度差異。進行點修正后，LED驅動器能以不同的電流驅動所有LED，使LED達到相同的亮度。值得注意的是，點修正必須能將亮度調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環境中，必須將所有LED的亮度設定為等于或低于系統中最暗LED的亮度，因此LED的數據表應該提供指定的亮度范圍下限。

點修正也可用來調整整個顯示器的亮度。在正午陽光充足的戶外可使用全亮度，不過相同的亮度對于夜間或室內就顯得亮度過高。將所有點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。如果系統使用點修正的IC，但不運用點修正功能，則將所有點修正值設定為上限值的一半，即可達到50%的亮度。對于經過7位點修正的LED驅動器，將所有點修正值從一百二十七降低至六十三，即可達到50%的亮度。以下等式可設定使用點修正時LED的正向電流：

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

如果系統已使用點修正功能達到一致的面板亮度，仍可使用點修正進行調光。將點修正值設定為原始值的一半，可達到50%的調光效果。以7位點修正LED驅動器為例，如果LED需要一百零八的點修正值，將電流設定為一致面板亮度所需的正確值，則將新的點修正值設定為54，即可調整為50%的亮度。

使用點修正調光點修正面板亮度的缺點是，亮度匹配的可用位有效數目會減少。

亮度控制精準匹配亮度

為了維持確實的亮度匹配，同時達到整體面板的調光，高階LED驅動器提供BC的個別緩存器，以達到整體面板調光之外的個別點修正效用。和點修正一樣，亮度控制也是透過模擬調光進行。這兩者的差異在于，點修正可調整個別的LED，而亮度控制可同時調整多個LED。點修正及亮度控制緩存器的數目及配置均與IC有關。

舉例來說，驅動八顆LED為一組的三個LED組所用的二十四信道LED驅動器包含二十四個點修正緩存器(每一個各用于個別 LED)，其中包含三個亮度控制緩存器，每一個各用于個別LED組。另外還有十六個輸出LED驅動器可驅動十六個相同色彩的LED，其中包含十六個內部點修正緩存器，并包含一個亮度控制器緩存器，可同時調整所有十六個輸出。區別點修正及亮度控制的功能有助于精準控制LED亮度匹配，同時可進行整體面板的調光。在包含點修正及亮度控制的IC中，LED電流是由兩種緩存器的值共同定義： 其中Imax是Rset設定的輸出電流上限，DCx是輸出x的點修正值，n是點修正的位數，BC是全局亮度值，m是亮度修正的位數。