LED電視高效無屏閃分段式調光技術的應用

　　胡向峰（創維集團 TV產品研究院，廣東 深圳 518108）

　　摘 要：LED液晶電視普遍采用PWM調光方式，圖像以一定的頻率亮暗變化。電視在播放畫面的過程中，LED背光源的亮滅導致畫面出現閃爍或不規則閃動，使用者一般不會察覺。為了讓LED屏在正常收看時不會出現閃爍，使液晶電視呈現清晰穩定的圖像，進而有效保護眼睛，以便體驗最舒適的視覺感受，基于此，提出一種無屏閃護眼健康電視的背光控制方式，即高效無屏閃分段調光技術，有效地解決了單一使用模擬調光或PWM各自所帶來的問題，同時該技術有利于提高整機調光時的能效，節能省電。

　　關鍵詞：LED電視；高效；無屏閃；分段式調光

　　0 引言

　　目前，LED電視及其他液晶顯示設備的模組背光驅動芯片主要采用兩種調光方式：模擬調光（analogdimming）和PWM調光。

　　模擬調光控制的電壓范圍一般較小，導致其控制的燈條電流調節范圍較小，隨著實際應用中燈條電流的不斷增大，模組背光在模擬調光達到最小電平時，模組燈條仍然電流較大，背光亮度依然較高，很難滿足模組由亮到暗的全范圍控制。PWM調光是目前普遍采用的一種調光方式，廣泛應用于LED電視領域和其他大尺寸顯示設備。在模組亮度控制時，通過調節PWM占空比，模組背光在由暗到亮控制的全范圍內能實現較好調節，但是，PWM調光會存在與屏體玻璃畫面匹配時的滾動干擾、模組光效低以及恒流電感調光時噪音大等問題。

　　基于模擬調光和PWM調光各自的特點，本文提出了采用一種模擬調光和PWM調光相結合的高效無屏閃分段調光控制技術。

　　1 LED屏閃產生的原因

　　目前，LED TV普遍采用PWM調光技術，如圖1所示。由主板發出的PWM調光信號以100 Hz~15 kHz的頻率控制LED背光模組燈條的開通和關斷。當PWM為高電平時，模組背光燈條導通，LED燈條發光；當PWM為低電平時，模組背光燈條截止，LED燈條關斷不亮。即在LED TV有背光調節時，模組燈條始終以固定的頻率在亮暗變化，這就是LED TV屏閃產生的根本原因。

　　當LED TV播放正常畫面，但特別地在藍屏情況下，當Vsync頻率和LED調光PWM頻率不匹配時，易造成畫面滾動條干擾。原理如圖2所示。

　　當PWM調光頻率和Vsync不同步時，傳輸的第1幀畫面和第2幀畫面亮暗錯位，引起整個圖像畫面出現類似的滾動干擾。

　　當采用模擬電平信號來調光時，如圖3所示，雖然可以解決LED TV的屏閃問題，但是由于模擬調光信號是由調光電平來控制，調光電平和恒流芯片的匹配設計很難做到屏體從暗到亮的全范圍調整，因此，在LEDTV中很少使用。

　　2 高效無屏閃分段調光技術工作

　　原理為了解決PWM調光引起的LED TV屏閃及畫面滾動條干擾，結合PWM調光和模擬調光的各自特點，提出一種分段調光技術，實現LED TV的全范圍調光、消除屏體的滾動條干擾，同時消除屏閃。

　　2.1 分段調光技術原理

　　從主板送過來的PWM信號經調光控制單元轉化為直流電壓V_LPF，如圖4所示。當PWM輸入100% ~D% /C% / B% /A%，IC設計工作在模擬調光狀態。在模擬調光下，調光的最大占空比是100%。此時，模擬調光的ISEN調節電壓是V_ADJ（V_LPF×1/H）。當PWM輸入占空比小于D% / C% / B% /A%時，調光占空比從100%開始，隨著PWM占空比的降低而減小。ISEN的調節電壓對應IC從模擬調光進入到PWM調光時的V_ADJ。具體控制說明如下。

　　APC腳電壓通過內部的參考電壓V_REF經分壓電阻R1和R2分壓得到，經內部的比較器陣列后與調光控制單元進行算法控制，得到不同的APC電壓，對應不同的外部輸入PWM信號占空比。

　　當U_APC電壓小于a伏時，恒流芯片的PWM占空比小于A%時為PWM調光狀態，大于A%以上為模擬調光狀態，即，U_APC< a時，D_PWA< A%為PWM調光，D_PWA＞A%為模擬調光；

　　當U_APC電壓大于a伏且小于b伏時，恒流芯片的PWM占空比小于B%時為PWM調光狀態，大于B%以上為模擬調光狀態，即a<U_APC< b時，D_PWA< B%為PWM調光，D_PWA＞B%為模擬調光；

　　當U_APC電壓大于b伏且小于c伏時，恒流芯片的PWM占空比小于C%時為PWM調光狀態，大于C%以上為模擬調光狀態，即，b<U_APC< c時，D_PWA<C%為PWM調光，D_PWA＞C%為模擬調光；

　　當U_APC電壓大于c伏時，恒流芯片的PWM占空比小于D%時為PWM調光狀態，大于D%以上為模擬調光狀態，即，U_APC＞c時，D_PWA< D%為PWM調光，D_PWA＞D%為模擬調光。

　　2.2 PWM調光兼容設計

　　PWM調光頻率兼容100 Hz~15 kHz，并變頻為24 kHz調光控制，這樣可兼容不同主板調光頻率，適應性更為廣泛，如圖5所示。

　　調光頻率設計在24 kHz目的：

　　①在PWM調光分段區，可解決畫面滾動條干擾，從而保證全調光范圍內無畫面滾動條干擾。

　　②在PWM調光分段區，可解決升壓電感的噪音問題，從而保證全調光范圍內降低噪音。

　　2.3 高效無屏閃分段調光技術效果分析

　　我們以75 W整機為例，采用傳統PWM調光和分段調光技術后，測試對比分析如下。

　　1）亮度線性度分析

　　經對比測試PWM調光與分段調光的模組亮度，具體測試數據如表1和圖6。

　　由此可見，采用分段調光技術后，在同等占空PWM占空比條件下，模組亮度比PWM調光技術亮度偏高，且調光全范圍內，亮度線性度較好。

　　2）整機效率分析（模組光效）

　　采用分段調光方式，可提高模組燈條的光效，從而提高整機效率。具體測試數據如表2和圖7所示（220 V輸入）。

　　從上述整機功率的對比表和曲線可以看出，采用分段調光方式后，有利于整機效率的提高，如在整機260 cd/m²時，整機效率可提高約5.1%。

　　3）電感噪音

　　采用分段調光技術可有效解決背光BOOST電路中升壓電感的噪音問題。目前普遍采用PWM調光方式實現寬范圍內的燈條電流控制，但當BOOST電路采用低成本的柱狀繞線電感時，PWM調光時產生電感的噪音問題，主要因為在調光MOS管開通瞬間，造成電感電流產生較大的電流尖峰，引起電感噪音。采用此技術可保持電感電流穩定無尖峰，從而大大降低調光過程中電感噪音。圖8為兩種調光方式的電感電流波形。

　　4）燈條電流應力分析

　　因使用PWM調光方式，在調光MOS開通瞬間，因屏體燈條寄生參數的影響，會產生過沖尖峰電流，如圖9(a)所示。當屏體尺寸較大，燈條電壓較高時，產生的尖峰電流較大，該尖峰電流會影響燈條的使用規格和降額要求。采用分段調光方式后，可降低該尖峰電流，利于燈珠選型及降成本，測試波形如圖9(b)所示，燈條峰值電流約620 mA用混合調光后，峰值電流降低約100 mA，電流峰值降幅約16%。

　　5）EMC測試分析

　　采用分段可調混合調光技術后，由于升壓電感電流波形為平滑的三角波電流，沒有調光瞬間的電流尖峰，如圖10(a)和圖10(b)所示，即di/dt變化小，輻射相對較小，可改善產品的EMC測試。

　　3 總結

　　本文提出一種在不改變主板輸出調光頻率條件下，通過恒流方案的設計來實現模擬調光和PWM調光相結合的分段調光技術，利用各自調光的優點實現LED背光模組的調光全范圍控制。該分段調光技術既提高了PWM調光方式燈條的光效，解決了單一PWM調光存在調光電感的噪音問題，又消除了PWM調光頻率引起和LED玻璃場頻之間的差拍干擾，導致畫面出現滾動干擾問題，同時，可提升LED電視的畫質和顯示，降低燈條應力、改善恒流部分EMC。此外，該技術具有消除背光閃爍、防止眼睛疲勞、保持人眼健康等優點，具有普遍的應用和推廣價值。

　　參考文獻：

　　[1] High Power LED Driver OZ9902E specification[Z].O2Micro International LTD.

　　[2] PRESSMAN A I,BILLINGS K,MOREY T.開關電源設計[M],3版.北京:電子工業出版社,2016.

　　[3] WINDER S.LED驅動電路設計[M].謝運祥,王曉剛,譯.北京:人民郵電出版社,2009.

　　[4] 楊恒.開關電源典型設計實例精選[M].北京:中國電力出版社,2007.

　　[5] 康華光.電子技術基礎[M].北京:高等教育出版社,2010.

　　（注：本文來源于科技期刊《電子產品世界》2020年第07期第22頁，歡迎您寫論文時引用，并注明出處。）