動態(tài)背光可提高對比度并調(diào)整小型LCD面板的功耗

通過使用動態(tài)LED背光來增強視頻觀看，可以提高手機LCD顯示屏的感知對比度。本應(yīng)用筆記以MAX6948B為例，介紹如何在現(xiàn)有LED驅(qū)動器上增加瞬時脈寬調(diào)制（PWM）強度控制。

介紹

背光液晶顯示器（LCD）存在于許多消費產(chǎn)品中，從微型手機到大型電視。但是，經(jīng)常有很多關(guān)于對比度的抱怨，尤其是黑色水平。由于LCD需要背光照明 - 黑色水平，即沒有光線，看起來不太自然。動態(tài)背光允許自定義LCD屏幕上的背光，以通過改變背光強度來提高對比度。隨著能夠播放視頻文件的手持設(shè)備越來越多，提供更好的觀看體驗是一個關(guān)鍵賣點。

目前，液晶電視和手持設(shè)備通常采用由靜態(tài)冷陰極熒光燈（CCFL）或LED實現(xiàn)的屏幕邊緣背光。然而，未來的大面積高端LED背光液晶電視會將屏幕分成許多行和多列的單元，每個單元由一組RGB LED集群組成。通過獨立控制每個單元的光輸出（基于圖像內(nèi)容），動態(tài)背光提高了圖像對比度。隨著背光和驅(qū)動器成本的下降，下一代高端電視可以將動態(tài)控制應(yīng)用于單元內(nèi)的每個RGB LED集群，以實現(xiàn)更精細的背光控制。系統(tǒng)所要做的就是監(jiān)控視頻內(nèi)容，并將控制信號反饋給背光控制器，以動態(tài)調(diào)整每個單元中的LED亮度。

對于手機LCD顯示屏，不需要將小屏幕分成一行又幾列的單元格。但是，背光也可以利用視頻內(nèi)容的“窺探”，根據(jù)視頻屏幕在特定時刻的平均強度動態(tài)調(diào)整亮度，以增強觀看體驗。這種技術(shù)還可以延長手機電池的使用時間，因為每當(dāng)播放視頻時，背光可能不必以全亮度運行。

LED背光驅(qū)動器（如MAX6948B等）具有內(nèi)部脈寬調(diào)制（PWM）模塊，通過I2C等串行接口，根據(jù)手機基帶控制器的命令控制所連接LED的強度。然后，基帶控制器可以使用驅(qū)動器的內(nèi)部PWM模塊動態(tài)調(diào)整背光，以響應(yīng)用戶的按鍵或環(huán)境光的變化。然而，有限的通信速度和串行接口的協(xié)議開銷引起的延遲肯定會消除控制器使用LED驅(qū)動器的內(nèi)部PWM模塊來實現(xiàn)與視頻內(nèi)容相對應(yīng)的動態(tài)背光。

改變與視頻內(nèi)容相對應(yīng)的背光強度需要一個PWM信號，其占空比隨視頻內(nèi)容動態(tài)變化。該PWM信號可以使用手機基帶控制器內(nèi)的現(xiàn)有視頻信號處理電路根據(jù)每幀的平均強度水平生成。PWM 信號可通過基帶控制器的通用 I/Ω （GPIO） 引腳發(fā)送到背光 LED 驅(qū)動器。

然后，LED驅(qū)動器需要將該外部PWM信號直接轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的LED強度水平變化，而不會通過串行接口（也由基帶控制器）對其內(nèi)部PWM功能集造成太大干擾。例如，50%的外部PWM信號占空比不會使強度與內(nèi)部PWM模塊設(shè)置的強度變化，小于50%占空比的PWM信號會使強度變暗，而超過50%的占空比會使強度變亮。

雖然對于MAX6948B等許多LED驅(qū)動器，沒有特定的輸入引腳來接受該外部PWM信號，但動態(tài)背光的額外PWM強度控制仍可以通過在典型應(yīng)用電路中添加幾個元件來實現(xiàn)。讓我們研究如何添加外部PWM強度控制，以補充器件的內(nèi)部PWM以實現(xiàn)動態(tài)背光控制。在本例中，額外的背光控制信號由微控制器的I/Ω引腳產(chǎn)生。但是，該信號可以表示移動光傳感器或分析屏幕內(nèi)容的電路的輸出。MAX6948白光LED （WLED）驅(qū)動器作為示例器件。該驅(qū)動程序設(shè)計用于在移動電話中運行，但該概念可以應(yīng)用于任何帶有LCD屏幕的系統(tǒng)。

MAX6948B WLED驅(qū)動器接受2.7V至5.5V的標(biāo)準輸入電壓，輸出電壓升壓至28V以驅(qū)動背光。雖然該芯片設(shè)計用于驅(qū)動手機的背光，但添加外部PWM以動態(tài)控制背光的技術(shù)可用于液晶電視，PDA，筆記本電腦或幾乎任何LED背光顯示器。一個外部電阻器，RB，設(shè)置峰值背光強度（圖1）。電阻越大，峰值電流越低，因此背光強度越低。但是，通過增加一個晶體管（Q1）和第二個電阻（RB2），可以在不改變內(nèi)部PWM的情況下調(diào)制電阻以改變背光亮度。

芯片內(nèi)部產(chǎn)生PWM信號，根據(jù)主機通過I2C端口發(fā)送的命令確定LED強度。驅(qū)動WLED的芯片的升壓輸出可以完全開啟、完全關(guān)閉或PWM化，分辨率為10位（1024級）。最大電流由反饋電阻R決定B.如果 RB為3.3Ω，通過LED的最大電流約為30mA （VFB/RB= 100mV/3.3Ω

30mA）。如果 RB為30Ω，最大電流約為3.3mA。調(diào)節(jié)電壓，VFB，穩(wěn)定在 100mV 左右，并控制通過 WLED 驅(qū)動的最大電流。通過調(diào)制反饋電阻，可以實現(xiàn)對WLED強度的額外控制。

圖1.電路用于對MAX6948B WLED驅(qū)動器施加外部PWM控制。微控制器的PWM頻率為5kHz，占空比為0至100%。

本例中PWM控制信號由MAXQ2000微控制器產(chǎn)生，PWM控制信號范圍為0V至+3.3V;頻率為5kHz;占空比可在0%至100%之間調(diào)節(jié)。MAX6948B也安裝在評估板上，Vishay SI4800BD n-FET晶體管（Q1）調(diào)制反饋電阻。對于手機應(yīng)用，可以使用具有低漏源電阻RDSON的較小尺寸的n-FET晶體管;否則電阻 R?B可以減少以補償較大的RDSON。由于5kHz PWM開關(guān)頻率較低，當(dāng)使用MAXQ2000的驅(qū)動器時，柵極電荷的影響可以忽略不計。晶體管的功耗可以忽略不計，因為開關(guān)損耗很低，通過它的平均電流也很低。

測試結(jié)果

圖3中的波形是使用電流探頭捕獲的，顯示了通過串聯(lián)WLED的電流。MAX6948B的內(nèi)部PWM功能導(dǎo)通，占空比設(shè)置為50%。圖3a顯示了外部PWM占空比為15%時的LED電流;圖3b顯示了外部占空比為85%時的電流，圖3c顯示了外部PWM對通過串聯(lián)WLED的電流的影響。

數(shù)據(jù)顯示，由于MAX6948B的時間常數(shù)和反饋行為，LED電流電平不會在30Ω電阻確定的最低電流電平和3.3Ω電阻確定的最高電流電平之間切換。平均幅度和PWM擺幅根據(jù)外部PWM占空比設(shè)置而變化。

在這種情況下，外部PWM控制是通過改變n-FET晶體管的瞬時和平均電阻來實現(xiàn)的。這反過來又改變了通過串聯(lián)LED的電流。關(guān)于此配置，有兩個重要事實需要注意。首先，5kHz的外部PWM頻率遠高于125Hz的內(nèi)部頻率。其次，外部PWM控制也在調(diào)節(jié)LED電流的直流部分。由于這兩個特性，該解決方案避免了與雙PWM強度控制相關(guān)的常見“跳動”問題。內(nèi)部PWM從0%到100%施加了不同占空比的外部PWM控制，并且外部控制是有效的。在不同的占空比設(shè)置下未觀察到跳動。

圖 3a. 外部 PWM 占空比為 15% 時的 LED 電流。

圖 3b. 具有 85% 永恒 PWM 占空比的 LED 電流。

圖 3c.外部PWM效果的詳細信息。

LED的發(fā)光在有限截面上隨正向電流線性變化。圖4繪制了MAX6948評估板上金亮WLED的WLED發(fā)光強度與正向電流的關(guān)系。調(diào)制 RB3.3Ω至30Ω之間的電阻產(chǎn)生30mA至3.3mA的正向電流。3mA至30mA區(qū)域的電流-發(fā)光關(guān)系接近線性，如圖4所示。0% 外部 PWM 占空比在 3mA 時產(chǎn)生發(fā)光強度，在 30mA 時產(chǎn)生 100% 占空比。這些結(jié)果假設(shè)內(nèi)部PWM強度完全開啟。通過使用I2C PWM命令，可以通過器件的內(nèi)部PWM控制來降低強度水平。

圖4.發(fā)光和當(dāng)前關(guān)系。

審核編輯：郭婷