LED背光分区调光在平板电视中的应用

摘 要：国家发改委和工信部在2016年5月18日发布的《关于实施制造业升级改造重大工程包的通知》中指出，新型平板显示工程领域是我国的重点发展方向,这体现了国家对显示屏及相关产业的重视。LED作为背光光源，其功耗低、寿命长的特点，被广泛应用于户外显示、液晶屏、平板电视等。随着近几年技术的快速发展，LED 背光分区越来越多地被显示器、平板电视采用，本文将从LED背光分区调光技术在平板电视中的应用进行详述，希望通过此文章使大家对背光分区调光电视有所了解。

关键词：LED；分区调光；平板电视

LED，全称发光二极管，是一种常用的发光器件，通过电子与空穴复合释放能量发光。近些年来，LED 凭借功耗低、寿命长的优点，不断在显示领域发挥着重要作用，本文将主要从 LED 背光分区调光技术定义、特性等内容，对其在平板电视中的应用进行详细讲述。

1 LED背光分区调光技术

1.1 分区调光技术

分区调光技术，即区域调光（Local Dimming），可以独立地控制指定区域。区域调光控制技术是根据所要显示的区域图像内容决定背光亮度或颜色，并对 LCD 控制信号进行调制，在保持图像亮度的前提下，有效地节省功耗，提高对比度。^[2]

液晶显示图像可感知情况可表述为：呈现在人眼中的图像是屏幕上的图像内容加背光显示，通过对背光进行分区调节，可以实现画面亮处显示更亮，暗处显示更暗的效果，一方面可以节省功耗，二是可以提高对比度。

Local Dimming 由两个部分组成，背光部分和图像补偿部分。通过背光控制实现对比度提升，同时由于一幅画面过来时，在暗区的灯亮度也会比较暗，这个时候会出现暗场细节不清晰的问题，因此需要进行图像补偿补回暗场细节。

1.2 分区调光技术主要特点

分区调光功耗更低：无分区背光的显示器就是一整个背光面同时发光；有分区背光则是背光源分成多个区域，每个区域都可以进行独立的控光。

分区调光对比度更高：亮和暗的区域对比明显，画面层次更好。

分区调光峰值亮度高：亮区域的峰值亮度，通过软件算化控制，可以在不增加功耗的基础上，大幅增加峰值亮度；这一特点可应用于场景环境光很强，需要提升显示设备亮度的情况。

1.3 分区调光技术在LED背光上的应用

分区调光技术在液晶显示上主要应用于侧入式和直下式 LED 背光，可提升画面对比度，提高峰值亮度等。由于侧入式 LED 背光搭载分区调光带来较明显的缺点即渗光（光晕）现象，当峰值亮度越高，对比度越高，渗光现象越严重；当峰值亮度将低，渗光现象越减弱，但对比度也同时降低。而直下式背光方式能较好地改善渗光（光晕）现象，因此，分区调光技术目前主要以直下式背光进行画质提升。

2 分区调光技术在平板电视中的应用

目前，在平板电视 LED 背光应用中，背光调整技术主要有全局（Global）调光和区域（Local）调光两种。

Global Dimming 调光是针对整个画面进行调整，高亮拉升的同时，低亮会同时拉升，背光的功耗也会对应增加；低亮压低的同时，高亮同时压低，会影响到图像的景深显示效果。

为了解决 Global Dimming 全局背光控制的这些缺点，提升显示画面的动态对比度，更好地优化电源的有效功率，降低整机的功耗，在平板电视上对 Local Dimming 技术进行研究及应用。

2.1 分区调光在平板电视上应用的系统架构

图1 分区调光在平板电视上应用的系统架构

分区调光的控制主要有两种方式，分别如下。

1）SOC → MCU（百分区级）/FPGA（千分区级及以上）→ 驱动模块 → 背光模块

该架构分区调光算法可存放在 MCU/FPGA 中，可 自主进行算法设计，且更改调整相对比较方便；带载能力较强，对分区数大小没限制；缺点是 SoC(MTK**)/ FRC(6 M**)、MCU/FPGA、驱动模块的同步处理比较复杂。

2）SoC → 驱动 → 背光模块

该架构是 SoC 直推驱动，同步及数据处理相对简单；缺点是分区数越多占用 SoC 资源越多，同时设计产品的差异化减少。

2.2 分区驱动技术应用

随着 LED 背光分区技术的发展，平板电视上的分区数量已涵盖几十分区到上千分区。从产品驱动方面来看，背光方案设计遵循“低分区少 IC，高分区多 IC”的原则，同一方案有不同的 IC 设计选择，其主要取决于系统可制造性、功耗、成本等。

Mini-LED 技术的发展推动了驱动技术发展，该显示技术主要分为两大类，一类是直接将 Mini LED 通过无源矩阵 (PM) 驱动或有源矩阵 (AM) 驱动，是最接近 Micro LED 的显示技术，尚有多项技术问题未攻克 , 没有实现商业化应用；另外一类则是 Mini LED 背光技术，通过将 Mini LED 背光与 LCD 结合，可以大幅提升 LCD 在对比度和运动模糊方面的性能。^[3]

PM（Passive Matrix，被动矩阵）方式静态或者扫描实现方式。静态方式：高压大电流方式，成本及可靠性最优，平板电视大批量出货，分区数集中在百分区级；主要应用于传统 LED 背光方案。

扫描方式：高压小电流方式，分区越多，相比静态成本越低，平板电视小批量出货，分区数集中在千分区级；主要应用于传统 LED、Mini LED 背光方案。

AM 方式（Active Matrix，动态矩阵）：低压小电流方式，大幅降低成本，优势明显；软件协议可靠性，信号传输完整性等需要大量实验验证优化改进；分区数集中在几千分区级；主要应用于 Mini LED 背光方案。

从实现方式来说，分区驱动在系统内可设计为：灯驱分离，即 LED 灯和驱动芯片分开，用线束连接；灯驱合一，即 LED 灯和驱动芯片放置于同一个玻璃基或铝基板或 FR4 板等，通过印制板走线，取消线束。

2.3 分区驱动算法应用

Local Dimming 算法设计主要分为对比度提升算法和功耗限定算法。先对图像的亮度灰阶值进行对比度提升算法，然后再根据背光功耗的限定值对 PWM 占空比进行限制，得到最终值提供给背光驱动来控制背光。

从图像信息中提取背光驱动信号的方法。

（1）平均值法，通过计算每个分区的所有像素灰度平均值确定背光强度，所确定的背光强度偏暗，此方法对比度高且功耗小，但图像失真较严重。

（2）平方根法，通过计算每个背光分区的灰度平均值，然后归一化取均方根值来确定背光强度，可进一步增强平均值法的背光信号，避免了背光过暗的问题，但仍避免不了图像失真的现象。

（3）最大值法，将对应的分区所有子像素的最大值作为背光值，该方法虽然可保持大部分的图像细节，但却存在较高的功耗，对比度也很难做高。

通过算法改善画质，提升动态对比度的显示效果，优化电源有效功率，降低整机的功耗；并且可以针对暗场信号进行单独处理来有效的改善整机的部分漏光现象。

2.4 分区调光系统设计考虑

从光学角度讲，分区电视中LED灯主要方式有灯条、灯板。第一种灯条方式，成本较低，每一个区的灯颗数不宜较多（单排灯较多光形图较差）；第二种灯板方式，成本较高，每一个区的灯颗数，可以根据光形图进行设计排布，光形图可以接近正方形。因为每一个区的光形图对于画质优化有着极大影响，所以灯的排布是需要系统考虑的。

从整机功耗角度讲，电流越高，热随之增加，平板电视整机功耗上升，效率就会下降。从系统角度讲，使用小尺寸芯片并降低驱动电流，相应地通过增加背光分区控制来提升电视画质。

从产品定位讲，平板电视背光到底要做到多少分区才算合理，目前没有明确的标准，还是要综合考虑亮度、外观造型、成本、系统可制造性等因素。

2.5 平板电视行业发展

目前，各平板电视厂商大力布局 Local Dimming 功能的整机，目前带分区调光功能的产品在市场上都取得了不错的市场反响。分区技术发展及应用预期如下。

（1）显示（画质）技术迭代，Mini LED/Micro LED 是目前最为可能的下一代显示技术，或将成为未来 5~10 年显示行业的发力点。Mini LED 是 Micro LED 的先导技术 , 在液晶显示应用中被定义为“高阶直下式再升级”产品。各大终端消费电子品牌相继推出了基于 Mini LED 背光的新产品，成为电视行业新的技术发展趋势。

（2）PM分区技术短期内仍是百分区级的主流方案，但 AM 分区技术已有下沉的趋势（百分区级）；分区数越多越有利于提升显示品质，但是相应需要 LED 数量和 LED Driver IC 的数量就会增加，由此就带来了成本的上升。另外一方面，PM Mini LED 和 AM Mini LED 在技术上有一些路线的差异，这也会影响到分区路线的选择。如果采用 AM 背板，可以有效减少 LED Driver IC 使用数量，更容易实现 1 000 分区以上，可以实现更细腻的显示效果。

3 结语

随着 LED 背光分区技术的发展，平板电视上的分区数量已涵盖几十分区到上千分区，在消费升级的大环境下，分区调光技术成为了未来电视行业发展的主旋律，将最先进的技术与产品完美融合，让更多、更好的平板电视走进每一个家庭中，让更多的消费者享受科技带来的极致体验。

参考文献：

[1] 张昕,吴佩雯,肖书平,等.显示驱动芯片原理及发展现状液晶与显示[J].液晶与显示,2020,35(11):17-21.

[2] 李福文,金伟其,邵喜斌,等.基于LED背光源区域控制的高动态范围液晶显示技术进展[J].光学技术,2009(06):29-32.

[3] 季洪雷,陈乃军,王代青,等.Mini-LED背光技术在电视产品应用中的进展和挑战[J].液晶与显示,2021(08):25-27.

(注：本文转载自《电子产品世界》杂志2022年10月期)