LED电视高效无屏闪分段式调光技术的应用

　　胡向峰（创维集团 TV产品研究院，广东 深圳 518108）

　　摘 要：LED液晶电视普遍采用PWM调光方式，图像以一定的频率亮暗变化。电视在播放画面的过程中，LED背光源的亮灭导致画面出现闪烁或不规则闪动，使用者一般不会察觉。为了让LED屏在正常收看时不会出现闪烁，使液晶电视呈现清晰稳定的图像，进而有效保护眼睛，以便体验最舒适的视觉感受，基于此，提出一种无屏闪护眼健康电视的背光控制方式，即高效无屏闪分段调光技术，有效地解决了单一使用模拟调光或PWM各自所带来的问题，同时该技术有利于提高整机调光时的能效，节能省电。

　　关键词：LED电视；高效；无屏闪；分段式调光

　　0 引言

　　目前，LED电视及其他液晶显示设备的模组背光驱动芯片主要采用两种调光方式：模拟调光（analogdimming）和PWM调光。

　　模拟调光控制的电压范围一般较小，导致其控制的灯条电流调节范围较小，随着实际应用中灯条电流的不断增大，模组背光在模拟调光达到最小电平时，模组灯条仍然电流较大，背光亮度依然较高，很难满足模组由亮到暗的全范围控制。PWM调光是目前普遍采用的一种调光方式，广泛应用于LED电视领域和其他大尺寸显示设备。在模组亮度控制时，通过调节PWM占空比，模组背光在由暗到亮控制的全范围内能实现较好调节，但是，PWM调光会存在与屏体玻璃画面匹配时的滚动干扰、模组光效低以及恒流电感调光时噪音大等问题。

　　基于模拟调光和PWM调光各自的特点，本文提出了采用一种模拟调光和PWM调光相结合的高效无屏闪分段调光控制技术。

　　1 LED屏闪产生的原因

　　目前，LED TV普遍采用PWM调光技术，如图1所示。由主板发出的PWM调光信号以100 Hz~15 kHz的频率控制LED背光模组灯条的开通和关断。当PWM为高电平时，模组背光灯条导通，LED灯条发光；当PWM为低电平时，模组背光灯条截止，LED灯条关断不亮。即在LED TV有背光调节时，模组灯条始终以固定的频率在亮暗变化，这就是LED TV屏闪产生的根本原因。

　　当LED TV播放正常画面，但特别地在蓝屏情况下，当Vsync频率和LED调光PWM频率不匹配时，易造成画面滚动条干扰。原理如图2所示。

　　当PWM调光频率和Vsync不同步时，传输的第1帧画面和第2帧画面亮暗错位，引起整个图像画面出现类似的滚动干扰。

　　当采用模拟电平信号来调光时，如图3所示，虽然可以解决LED TV的屏闪问题，但是由于模拟调光信号是由调光电平来控制，调光电平和恒流芯片的匹配设计很难做到屏体从暗到亮的全范围调整，因此，在LEDTV中很少使用。

　　2 高效无屏闪分段调光技术工作

　　原理为了解决PWM调光引起的LED TV屏闪及画面滚动条干扰，结合PWM调光和模拟调光的各自特点，提出一种分段调光技术，实现LED TV的全范围调光、消除屏体的滚动条干扰，同时消除屏闪。

　　2.1 分段调光技术原理

　　从主板送过来的PWM信号经调光控制单元转化为直流电压V_LPF，如图4所示。当PWM输入100% ~D% /C% / B% /A%，IC设计工作在模拟调光状态。在模拟调光下，调光的最大占空比是100%。此时，模拟调光的ISEN调节电压是V_ADJ（V_LPF×1/H）。当PWM输入占空比小于D% / C% / B% /A%时，调光占空比从100%开始，随着PWM占空比的降低而减小。ISEN的调节电压对应IC从模拟调光进入到PWM调光时的V_ADJ。具体控制说明如下。

　　APC脚电压通过内部的参考电压V_REF经分压电阻R1和R2分压得到，经内部的比较器阵列后与调光控制单元进行算法控制，得到不同的APC电压，对应不同的外部输入PWM信号占空比。

　　当U_APC电压小于a伏时，恒流芯片的PWM占空比小于A%时为PWM调光状态，大于A%以上为模拟调光状态，即，U_APC< a时，D_PWA< A%为PWM调光，D_PWA＞A%为模拟调光；

　　当U_APC电压大于a伏且小于b伏时，恒流芯片的PWM占空比小于B%时为PWM调光状态，大于B%以上为模拟调光状态，即a<U_APC< b时，D_PWA< B%为PWM调光，D_PWA＞B%为模拟调光；

　　当U_APC电压大于b伏且小于c伏时，恒流芯片的PWM占空比小于C%时为PWM调光状态，大于C%以上为模拟调光状态，即，b<U_APC< c时，D_PWA<C%为PWM调光，D_PWA＞C%为模拟调光；

　　当U_APC电压大于c伏时，恒流芯片的PWM占空比小于D%时为PWM调光状态，大于D%以上为模拟调光状态，即，U_APC＞c时，D_PWA< D%为PWM调光，D_PWA＞D%为模拟调光。

　　2.2 PWM调光兼容设计

　　PWM调光频率兼容100 Hz~15 kHz，并变频为24 kHz调光控制，这样可兼容不同主板调光频率，适应性更为广泛，如图5所示。

　　调光频率设计在24 kHz目的：

　　①在PWM调光分段区，可解决画面滚动条干扰，从而保证全调光范围内无画面滚动条干扰。

　　②在PWM调光分段区，可解决升压电感的噪音问题，从而保证全调光范围内降低噪音。

　　2.3 高效无屏闪分段调光技术效果分析

　　我们以75 W整机为例，采用传统PWM调光和分段调光技术后，测试对比分析如下。

　　1）亮度线性度分析

　　经对比测试PWM调光与分段调光的模组亮度，具体测试数据如表1和图6。

　　由此可见，采用分段调光技术后，在同等占空PWM占空比条件下，模组亮度比PWM调光技术亮度偏高，且调光全范围内，亮度线性度较好。

　　2）整机效率分析（模组光效）

　　采用分段调光方式，可提高模组灯条的光效，从而提高整机效率。具体测试数据如表2和图7所示（220 V输入）。

　　从上述整机功率的对比表和曲线可以看出，采用分段调光方式后，有利于整机效率的提高，如在整机260 cd/m²时，整机效率可提高约5.1%。

　　3）电感噪音

　　采用分段调光技术可有效解决背光BOOST电路中升压电感的噪音问题。目前普遍采用PWM调光方式实现宽范围内的灯条电流控制，但当BOOST电路采用低成本的柱状绕线电感时，PWM调光时产生电感的噪音问题，主要因为在调光MOS管开通瞬间，造成电感电流产生较大的电流尖峰，引起电感噪音。采用此技术可保持电感电流稳定无尖峰，从而大大降低调光过程中电感噪音。图8为两种调光方式的电感电流波形。

　　4）灯条电流应力分析

　　因使用PWM调光方式，在调光MOS开通瞬间，因屏体灯条寄生参数的影响，会产生过冲尖峰电流，如图9(a)所示。当屏体尺寸较大，灯条电压较高时，产生的尖峰电流较大，该尖峰电流会影响灯条的使用规格和降额要求。采用分段调光方式后，可降低该尖峰电流，利于灯珠选型及降成本，测试波形如图9(b)所示，灯条峰值电流约620 mA用混合调光后，峰值电流降低约100 mA，电流峰值降幅约16%。

　　5）EMC测试分析

　　采用分段可调混合调光技术后，由于升压电感电流波形为平滑的三角波电流，没有调光瞬间的电流尖峰，如图10(a)和图10(b)所示，即di/dt变化小，辐射相对较小，可改善产品的EMC测试。

　　3 总结

　　本文提出一种在不改变主板输出调光频率条件下，通过恒流方案的设计来实现模拟调光和PWM调光相结合的分段调光技术，利用各自调光的优点实现LED背光模组的调光全范围控制。该分段调光技术既提高了PWM调光方式灯条的光效，解决了单一PWM调光存在调光电感的噪音问题，又消除了PWM调光频率引起和LED玻璃场频之间的差拍干扰，导致画面出现滚动干扰问题，同时，可提升LED电视的画质和显示，降低灯条应力、改善恒流部分EMC。此外，该技术具有消除背光闪烁、防止眼睛疲劳、保持人眼健康等优点，具有普遍的应用和推广价值。

　　参考文献：

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

　　[2] PRESSMAN A I,BILLINGS K,MOREY T.开关电源设计[M],3版.北京:电子工业出版社,2016.

　　[3] WINDER S.LED驱动电路设计[M].谢运祥,王晓刚,译.北京:人民邮电出版社,2009.

　　[4] 杨恒.开关电源典型设计实例精选[M].北京:中国电力出版社,2007.

　　[5] 康华光.电子技术基础[M].北京:高等教育出版社,2010.

　　（注：本文来源于科技期刊《电子产品世界》2020年第07期第22页，欢迎您写论文时引用，并注明出处。）