智能调光技术帮助优化新HDR电视的视觉效果和能耗

作者/ David Gamperl 艾迈斯半导体

摘要：分辨率是电视和显示屏制造商的核心竞争领域。但在HDR(高动态范围)显示屏推出后，消费者开始了解到对比度同样对观看效果有着巨大的影响。本文介绍了提高对比度遇到的挑战，以及艾迈斯半导体开发的创新LED驱动控制技术的解决方法。

引言

　　分辨率是电视和显示屏制造商的核心竞争领域。消费者愿意花费更高的价钱购买HD(高清晰度)显示屏及最近的4K显示屏。未来超高清的8K显示屏将会取代当前这一代高端电视。

　　在HDR(高动态范围)显示屏推出后，消费者开始了解到对比度同样对观看效果有着巨大的影响(如图1)。HDR显示屏可以通过在最明亮的浅色和最深、最暗的黑色之间形成更大的对比，为消费者带来更精彩生动的观看体验。

　　但是，显示屏制造商在开发新的HDR显示屏时需要解决一个电力系统的设计问题：高对比度不仅需要一个具有非常高亮度的背光灯来真实再现图像极亮的部分，而且高电流的背光电路还必须能输出非常暗的光来正确渲染图像较暗的部分。同时，电视制造商必须满足诸如美国能源部推出的ENERGY STAR®能源之星计划这样的严苛法规法令，该计划严格限制了新电视的平均能耗。

　　传统的PWM背光调光方法最多只能在最高和最低电流之间实现1:1000的比率。如果一个功率控制器IC只支持数字PWM调光方法，那么在用于高性能的HDR显示屏时就会导致浪费电能，而且图像质量也会受影响。因此需要一种新的电视背光控制方法来进一步拉大最高和最低亮度的差距，并对显示屏各区域的背光进行精细的局部控制。

HDR显示屏对峰值照度的新要求

　　Dolby凭借其Dolby Vision™项目成为向世人展示了高性能HDR电视的公司。在其2015年展示的产品中，显示屏峰值亮度达到了4000尼特。相比而言，如今的HD或4K电视的峰值亮度一般都在300尼特左右。在峰值照度显著提升后，电视就能真实再现极亮的图像，并加大亮暗之间的对比度。

　　这种大对比度使得HDR显示屏看起来非常舒服，但同样也给电力系统的设计出了道难题。因为，如果要正确再现深蓝色、黑色和灰色，背光灯需要调到非常暗。这意味着如果峰值亮度为4000尼特，而传统的PWM控制器最多只能调暗至峰值亮度的0.1%，如此一来，最低的显示屏亮度就不够低，深黑色就会全部被渲染成偏灰的颜色。

　　现实中，如今HDR显示屏的制造商会把峰值亮度定在约为800~1000尼特，虽然提升了对极深颜色的渲染，但也降低了最亮颜色的生动性。

　　如果只依靠数字PWM控制是无法解决这一问题的：PWM控制的MOSFET有特定的最小占空比，这具体取决于关断延迟和下降时间。而关断延迟和下降时间是电力设备中的硅的基本属性，这些属性会阻止PWM控制器将亮度调到峰值输出的0.1%以下。

局部调光如何帮助提升显示屏的对比度

　　显示屏背光照明的方式会影响到对比度和调光布置。如今家庭中使用的大部分带LED背光的电视都属于侧光式，采用全局动态调光。也就是说如果图像大部分都较为明亮，那么整个显示屏的背光就会以全功率或接近全功率运作，如果图像大部分都较暗，那么整个显示屏的背光就会调到较低水平。因此，全局动态调光不适合HDR显示屏，尤其是因为它在处理需要同时显示明暗部分的图像(如图1)时效果很差。

　　这意味着HDR技术需要带局部调光的直下式背灯照明，这种结构要求更多的LED、更多LED通道和更为复杂的LED驱动系统，当然价格也更为昂贵。但是，如果将显示屏的背光照明系统分成一个个区域(如今的47寸直下式背光照明电视通常分为16到256个区域)，那么每个区域的背光亮度就可以与其所显示的图像部分的内容准确匹配。这样，深暗蓝色就可以与亮白色同时显示，同时也不会因为对图像较暗部分进行背光照明而浪费电力。

　　局部调光方法需要LED驱动器与视频或图形处理器(GPU)同步。如果设备之间的接口允许，则背光驱动器可以直接由GPU控制。

　　通过采用艾迈斯半导体的AS3824 LED背光灯控制器可实现局部调光。图2显示了垂直同步信号(VSYNC——艾迈斯半导体LED控制器的一项专利功能)可以用于标记每个新建帧的开始，从而为背光灯控制器提供一个同步输入。图中，帧1在区域1中图片较亮，因此需要非常高的PWM占空比，而在区域n中渲染的是图像较暗的部分，所以占空比较低。而在帧2中，新的视频内容意味着须更换这两个区域的亮度。在帧1过程中GPU会发送指令为区域1和区域n提供新的PWM占空比，而这两个区域的信号在帧2的上升沿进行刷新。

　　图2显示了VSYNC上升/下降沿与PWM信号的上升沿之间的延时。这一延迟可在AS3824控制器中设置：这就让显示屏制造商能够根据LCD像素的打开时间进行延迟补偿，使控制器能准确地在像素打开时点亮LED，这样就可以提高图像质量，并将功耗降到最低。延迟打开PWM还可以降低LED电源的负荷，减少系统所产生的噪音和干扰。

模拟调光：一种增强峰值亮度的方法

　　诸如AS3824这样的多通道LED控制器可以对16个通道进行单独控制，从而实现屏幕各区域的精细调光。通过菊花链式结构最多可以将32个AS3824 IC经由各自的SPI接口连接到一起，从而控制带有16个区域以上的显示屏(见图3)。

　　但HDR显示屏制造商仍就面临着对比度的问题。他们如何既保留渲染非常暗的颜色的能力又能够将峰值亮度提升到1000尼特以上呢?答案就是AS3824控制器IC中引入的一种专利创新：一种增强PWM控制电流的模拟方法。它最多能够将PWM信号所控制的电流增强到基础水平的8倍，从而更好地对图像最亮的部分进行照明。同时，处理最暗部分的通道可以只使用基础模拟LED电流的10%，PWM占空比也最小，可能只有0.1%。换言之，调光方案中数字PWM的动态范围保持不变，而额外的模拟部分则拓宽了整体(模拟+数字)动态范围(见图4)。

　　这一额外的模拟调光通过集成在AS3824中的DAC实现。根据显示屏视频处理器或GPU提供的数字输入信号DAC会提供一个基准电压。该基准电压放大后用于控制为通道上的LED供电的FET电流的幅度。实际上，模拟电流控制是一种以同步脉冲宽度调制和脉冲幅度调制为基础的电源方案。

　　AS3824可以用于驱动额定电流较高的FET或BJT。外部开关电源的输出电压一定要与其所连接的LED串的电压要求相匹配。过大的FET供电电压余度会导致功率损耗并降低系统效率。

　　通过调节经R1流至其反馈(FB)引脚的电流，AS3824的DC-DC反馈功能可与任意类型的DC-DC转换器(升压或降压)以及其它诸如LLC控制器之类的转换器相配合来调节FET的供电电压。反馈功能的控制可通过SPI进行设置。在手动反馈模式下，SMPS的输出电压可以直接通过AS3824进行调节。换言之，AS3824始终对SMPS的输出电压进行完全的控制，因此能够将系统功率损失降到最低。

精密的电源控制带来更高的对比度

　　使用AS3824控制器来控制LED背光照明不仅可以实现对直下式背光显示屏的精细、多通道控制，而且其带来的模拟+数字调光范围是传统的仅使用数字PWM调光的LED背光控制器的数倍。这样能大幅提高对比度，从而允许对显示屏一些区域中最亮的白色进行再现，同时还能渲染另一些区域深暗的蓝色和灰色，最终带来的观看体验要远胜于如今的HD和4K电视和显示屏。

　　16通道的AS3824是AS382x系列LED背光控制器的最新成员，专门用于HDR显示屏。该系列中的其它产品有16通道的AS3820、12通道的AS3821、8通道的AS3822和6通道的AS3823。

小结

　　本文介绍了艾迈斯半导体开发的创新LED驱动控制技术，它将模拟电流控制与传统的PWM调光技术相结合，调光范围大大超出了仅使用数字PWM的控制方法。这让显示屏制造商能够实现远高于当前市场上的对比度，并显著提升观看体验。

本文来源于《电子产品世界》2017年第1期第79页，欢迎您写论文时引用，并注明出处。