一种电视新型背光调光方式及应用

摘要：也有部分电视为了解决频闪问题采用传统的模拟调光技术，使得模组灯条的调节范围有限，很难实现全范围调光，同时，由于模拟调光技术会引起高亮电视画面和低亮电视画面的色温差异，因此为了解决LED电视收看时不出现闪烁，有效保护眼睛，获得舒适的观看体验，同时，为了解决模拟调光限制和亮暗画面的色温偏差，特提出一种新型模拟调光和PWM调光相结合的互补式调光技术（简称APC调光技术），彻底解决了模拟调光或PWM调光技术各自的缺陷，成为TV行业或其他显示行业全新的一种背光调节技术。

0   引言

目前，LED TV 及其他显示类设备的模组背光主要采用两种调光方式：模拟调光（analog dimming）和脉冲宽度调制（pulse width modulation，PWM）^[1]。

模拟调光因调光范围较窄（一般为10%~100%），模拟调光技术不能满足显示设备从亮到暗的全范围调光，此外，随着LED 电视使用的模组灯条电流不断增大，在最暗状态时，模组背光调节灯条电流较大，导致LED电视屏幕依然较亮，因此在LED TV 中较少使用。

PWM调光技术是目前行业内普遍采用的调光方式，广泛应用于各类LED 显示设备。通过调节PWM占空比，调节范围较宽（一般为1%~100%），能够实现LED电视背光由暗到亮控制的全范围调节，但是，PWM 调光时模组灯条按照调光频率周期性的出现“亮- 灭-亮- 灭”交替变化，导致频闪现象发生，电视或其他显示设备的屏幕闪烁会迫使人眼“眼睫肌”处于紧张的快速张合状态，加快疲劳速度，久而久之，会对眼睛造成伤害。

因此，本文提出了一种新型调光方式“模拟-PWM互补式”调光技术（analog-PWM complementary dimming technology），简称APC 调光技术。

图1 LED电视恒流系统框图

1   传统调光技术方案

在LED TV 行业，大多采用PWM 调光技术，在显示器行业，大多采用模拟调光技术，也称直流调光技术（DC 调光），不管采用何种调光方式，其恒流系统原理框图基本一致，如图1 所示。

Unit1 是电源系统（PSU），为主板系统和恒流系统供电，同时，经过电压变换电路为模组灯条供电。Unit2 是主板系统（mainboard），为恒流控制系统提供使能信号（ENA）和调光信号（ADJ），其中，ENA 用于开启恒流驱动器，ADJ 为调光信号。

Unit3 是恒流控制器（LED driver），用于实现模组灯条恒流控制。其中，Q1 为调光MOS，既可以是恒流控制器的内置MOS，也可根据设计需要，采用外置MOS 匹配。

注：上图中的PWM 信号和电流信号不代表背光从0~100% 的实际变化。

1）模拟调光

从图1 中可以看出，自主板系统发出ADJ 信号，送至恒流系统的ADIM 脚，此时，PWM 脚被屏蔽，模组灯条中的电流波形如图2（a）所示。从中可见，当主板SoC 发出ADJ 脉冲调光信号，经恒流系统转换为模拟调光信号。当调光占空比恒定时，灯条电流为恒定的直流波形；当TV 菜单中的背光调节从0~100% 变化时，ADJ 的占空比随之增大，对应的灯条电流值亦随之增加，整机从暗逐渐变亮^[2]。需要说明的是，由于模拟调光的调节范围有限（调光比较小），当背光调至0 时，屏幕依然较亮。例如，以OZ9902D 为例（调光比为3:1），灯条电流为800 mA（100% 占空比），则当背光调至0时，灯条电流值为：

I_av = I_pk ×33.33% = 800×33.33% = 266.6 mA

从上述计算结果可以看出，当系统调制最暗时，灯条电流仍有266.6 mA，液晶屏幕依然较亮，不能满足从暗到亮（或从亮到暗）的全范围变化要求，因此，在实际TV 设计中较少使用。

2）PWM 调光

根据图1，自主板系统发出ADJ 信号，送至恒流系统的PWM 脚，此时，ADIM 脚被屏蔽，模组灯条中的电流波形如图2（b）所示。从图中可以看出，当主板SoC 发出ADJ 脉冲调光信号，送至恒流系统，当调光占空比恒定时，灯条电流为相同频率的脉冲电流；当TV 菜单中的背光调节从0~100% 变化时，ADJ 的占空比随之增大，对应的灯条电流波形占空比值亦随之增大，整机从暗逐渐变亮。由于PWM 脉冲变化范围较宽，一般恒流方案可满足1%~100% 的变化范围，因此，当背光调至0 时，主板SoC 软件可调至1% 的占空比，同样以灯条电流为800 mA（100% 占空比）为例，灯条电流最小值为：

因此，当系统调至最暗时，灯条电流只有8 mA，液晶屏幕实现从暗到亮（或从亮到暗）的全范围变化要求，可在实际应用中广泛使用。但是，在PWM 控制方式下，灯条电流“亮- 灭- 亮- 灭”交替变化，导致频闪现象，同时，电源始终工作的动态负载情况下，系统的EMI 效果较差。

2   APC调光技术

APC 调光技术是针对目前传统的模拟调光和PWM调光各自存在的问题提出的一种结合两者优势的新调光方式。APC 调光技术有3 个关键技术点：互补调光控制技术，低亮高频调光技术，互补分界点可调技术。

注：上图中的PWM 信号和电流信号不代表背光从0~100% 的实际变化。

1）互补调光控制技术

如图3（a）所示，当主板系统发出ADJ 调光脉冲信号（即PWM 调光信号）送至恒流控制器后，恒流控制器接收外部背光从0~100% 变化，对应调光信号占空比在a 点由PWM调光段（part1）转至模拟调光段（part2），对应灯条电流变化亦由PWM 电流波形转至直流，此后到最大占空比（对应背光为100%）的过程中，灯条电流均为DC 调光电流，实现互补调光，从而实现了全范围调光。

2）低亮高频调光技术

APC 调光技术另一个特点是：在低亮段（背光从0~a 范围内），PWM 调光频率（part1）经倍频电路转化为20 kHz 以上调光频率，原因为：①在PWM 调光段内，消除电视画面的频闪问题；②根据人耳能听到声音频率范围20 Hz~20 kHz，该调光方式可消除了低亮段调光时电路的噪声问题。

3）互补分界点可调技术

由于LED 电视尺寸大小及模组灯条电流大小不同，根据实际画质调试需要，为了弥补低亮度色温偏差问题，设置了互补分界点比较电路，可根据实际需要灵活调节模拟调光和PWM调光的分界点，以满足画质调节的需要。通过以上分析可以看出，APC 调光技术既避开了模拟调光和PWM 调光各自的缺点，又充分体现了模拟调光和PWM 调光各自的优点。表1 从理论和实验结果分别对比了模拟调光、PWM 调光及APC 调光3 种方式的优缺点，可做设计参考。

3   结束语

本文详细介绍了传统调光技术的原理和存在的问题，提出了一种全新的模拟-PWM 互补式调光技术（APC 调光技术），详细介绍了APC 调光技术的3 种关键技术，即互补调光控制技术、低亮高频调光技术和互补分界点可调技术；对APC 互补式调光技术做了明确定义；还从理论上和实验结果对3 种调光技术做了对比分析。从中可以看出，APC 互补式调光技术避开了模拟调光技术和PWM 调光技术的缺点，结合了两者的优点，将成为显示行业一种新的调光技术，为调光技术大家庭中增添了新的一员，具有很大的实用价值和广泛的应用前景。

参考文献：

[1] 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.

[2] 张占松,蔡宣三.开关电源的原理与设计[M].北京:电子工业出版社,2004.

（本文来源于《电子产品世界》杂志2021年12月期）