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中心議題：

• 探究提升屏幕影像畫質(zhì)的方法

解決方案：

• 采用模擬/PWM調(diào)光以降低LED亮度
• 利用PWM調(diào)光以低亮度維持色彩

視訊廣告板、超大屏幕等需要電源供應(yīng)、視訊編碼器、譯碼器、線路驅(qū)動器、數(shù)字信號處理器(DSP)等大量小型子系統(tǒng)共同運作，才能提供視訊影像，卻鮮少人洞悉顯示系統(tǒng)中發(fā)光二極管(LED)驅(qū)動器的功能。

如果仔細(xì)觀看視訊屏幕，會發(fā)現(xiàn)其中有數(shù)百個視訊面板，再更靠近一點，會發(fā)現(xiàn)各個面板有縱橫各十六條畫素，每個畫素由三個LED所組成，分別是紅色、綠色、 藍(lán)色。各個LED的陽極都連接到LED驅(qū)動器的輸出，這些成千上萬的LED驅(qū)動器透過數(shù)十萬個LED控制正向電流，才產(chǎn)生出視訊影像。

電子設(shè)計人員的挑戰(zhàn)在于如何使用LED驅(qū)動器有效控制LED電流，大多數(shù)高階LED驅(qū)動器能藉由多種方法控制系統(tǒng)中的電流，許多驅(qū)動器具有可調(diào)整LED亮 度的功能，例如點修正(DC)、脈沖寬度調(diào)變(PWM)調(diào)光及全局亮度控制(BC)。雖然這些功能可發(fā)揮相同的基本效用，也就是調(diào)整LED亮度，不過各自 原有的用途皆不相同，只有了解如何適當(dāng)使用這些功能，才能提供最佳畫質(zhì)的視訊。

模擬/PWM調(diào)光　降低LED亮度

了解LED驅(qū)動器的進(jìn)階功能之前，必須先了解兩種降低LED亮度的方法，分別是模擬調(diào)光和PWM調(diào)光。模擬調(diào)光是指改變通過LED的正向電流，若以一半的電流驅(qū)動LED，其亮度也隨之減半。雖然無法確實達(dá)到1：1的比例，LED亮度和正向電流大致呈現(xiàn)線性關(guān)系。

PWM調(diào)光是指藉由開啟及關(guān)閉電流，以變更電流的脈沖寬度，而非振幅。LED亮度可透過開啟LED的時間百分比或負(fù)載周期加以控制。肉眼只能感受到大約 60Hz以下的頻率響應(yīng)，若以高于60Hz的速率開啟及關(guān)閉LED，肉眼只能感受到平均的LED亮度。大部分的顯示器都采用100Hz以上的PWM調(diào)光。 對于固定PWM調(diào)光頻率，負(fù)載周期減少會導(dǎo)致LED亮度降低。圖1顯示將20毫安(mA)LED調(diào)光至25%亮度時，模擬調(diào)光及PWM調(diào)光兩者的比較，這 兩個LED的亮度都相同。

點修正改變發(fā)光強(qiáng)度/頻譜

LED制造處理容差相當(dāng)不易控制，對于高質(zhì)量顯示器而言，兩個主要的LED特性是發(fā)光強(qiáng)度和頻譜純度。不過，不同LED所呈現(xiàn)的特性差異極大，即使是相同 的LED制造批次也是如此。在理想的情況下，處理器運用LED驅(qū)動器以相同電流開啟所有紅色LED時，可達(dá)到相同的亮度。然而事實上，以相同電流驅(qū)動 LED，亮度會有極大的差異。市面上一般的LED零件以相同的正向電流驅(qū)動時，會呈現(xiàn)2：1的亮度差異。

如果不處理如此差異，LED面板會有極不佳的畫素間亮度匹配，而點修正可有效處理發(fā)光強(qiáng)度的差異。點修正是指將LED顯示器中各畫素或點的密度加以修正或 正常化。調(diào)整通過個別LED的模擬電流即可達(dá)到如此的效果。面板制造完成后，必須在原廠進(jìn)行第一次點修正。測試設(shè)備可測量LED密度，并產(chǎn)生設(shè)定于IC之 上的點修正系數(shù)，以調(diào)整LED亮度。

一般LED驅(qū)動器可針對單一電阻的各個輸出設(shè)定LED電流上限。點修正使用模擬調(diào)光，將電流調(diào)整為電流上限的百分比程度。點修正所調(diào)整的位計數(shù)愈多，最終 的LED亮度愈一致。6位點修正可提供從0毫安到Rset電阻定義電流上限的六十四種不同電流層級，能逐步以1.59%的比例調(diào)整正向電流;7位點修正能 逐步以0.79%的比例調(diào)整正向電流。圖2顯示量產(chǎn)面板經(jīng)過點修正前后的亮度。

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進(jìn)行點修正前，所有LED都有相同的正向電流，因此造成2：1的亮度差異。進(jìn)行點修正后，LED驅(qū)動器能以不同的電流驅(qū)動所有LED，使LED達(dá)到相同的 亮度。值得注意的是，點修正必須能將亮度調(diào)整為低于面板中最暗LED的值。在許多面板合并為大型顯示器的生產(chǎn)環(huán)境中，必須將所有LED的亮度設(shè)定為等于或 低于系統(tǒng)中最暗LED的亮度，因此LED的數(shù)據(jù)表應(yīng)該提供指定的亮度范圍下限。

點修正也可用來調(diào)整整個顯示器的亮度。在正午陽光充足的戶外可使用全亮度，不過相同的亮度對于夜間或室內(nèi)就顯得亮度過高。將所有點修正值降低至先前值的百 分比程度，也可降低整體面板亮度。如果系統(tǒng)使用點修正的IC，但不運用點修正功能，則將所有點修正值設(shè)定為上限值的一半，即可達(dá)到50%的亮度。對于經(jīng)過 7位點修正的LED驅(qū)動器，將所有點修正值從一百二十七降低至六十三，即可達(dá)到50%的亮度。以下等式可設(shè)定使用點修正時LED的正向電流：

其中Imax是Rset設(shè)定的輸出電流上限，DCx是輸出x的點修正值，n是點修正的位數(shù)。對于以上范例，Imax等于40毫安，DC等于六十三，所有LED電流即設(shè)定為40毫安×63/127=19.84毫安。

如果系統(tǒng)已使用點修正功能達(dá)到一致的面板亮度，仍可使用點修正進(jìn)行調(diào)光。將點修正值設(shè)定為原始值的一半，可達(dá)到50%的調(diào)光效果。以7位點修正LED驅(qū)動 器為例，如果LED需要一百零八的點修正值，將電流設(shè)定為一致面板亮度所需的正確值，則將新的點修正值設(shè)定為54，即可調(diào)整為50%的亮度。

使用點修正調(diào)光點修正面板亮度的缺點是，亮度匹配的可用位有效數(shù)目會減少。

亮度控制精準(zhǔn)匹配亮度

為了維持確實的亮度匹配，同時達(dá)到整體面板的調(diào)光，高階LED驅(qū)動器提供BC的個別緩存器，以達(dá)到整體面板調(diào)光之外的個別點修正效用。和點修正一樣，亮度 控制也是透過模擬調(diào)光進(jìn)行。這兩者的差異在于，點修正可調(diào)整個別的LED，而亮度控制可同時調(diào)整多個LED。點修正及亮度控制緩存器的數(shù)目及配置均與IC 有關(guān)。

舉例來說，驅(qū)動八顆LED為一組的三個LED組所用的二十四信道LED驅(qū)動器包含二十四個點修正緩存器(每一個各用于個別 LED)，其中包含三個亮度控制緩存器，每一個各用于個別LED組。另外還有十六個輸出LED驅(qū)動器可驅(qū)動十六個相同色彩的LED，其中包含十六個內(nèi)部點 修正緩存器，并包含一個亮度控制器緩存器，可同時調(diào)整所有十六個輸出。區(qū)別點修正及亮度控制的功能有助于精準(zhǔn)控制LED亮度匹配，同時可進(jìn)行整體面板的調(diào) 光。在包含點修正及亮度控制的IC中，LED電流是由兩種緩存器的值共同定義： 其中Imax是Rset設(shè)定的輸出電流上限，DCx是輸出x的點修正值，n是點修正的位數(shù)，BC是全局亮度值，m是亮度修正的位數(shù)。

PWM調(diào)光以低亮度維持色彩

精準(zhǔn)亮度控制只是高畫質(zhì)視訊中的一個環(huán)節(jié)，第二個環(huán)節(jié)是正確的色彩匹配。舊款顯示器使用模擬調(diào)光來設(shè)定色彩混合的LED亮度，對于色彩質(zhì)量有負(fù)面的影響。 圖3顯示正向電流的變化和LED色彩變化間的關(guān)系。圖3的真實綠色LED針對此一特定LED定義全亮度(20毫安)的色彩。若要使用模擬調(diào)光達(dá)到25%的 亮度，需要5毫安的正向電流。這使得色譜從525奈米(nm)變成531奈米，對于須要呈現(xiàn)真實色彩的顯示器而言，這是無法接受的程度。

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PWM調(diào)光又可以稱作灰階PWM調(diào)光，可消除LED調(diào)光有關(guān)的色彩變化。這類調(diào)光能以呈現(xiàn)高畫質(zhì)視訊所需的低亮度，維持正確的LED色彩。不論LED的亮 度為何，PWM調(diào)光都能使通過LED的電流保持一致，以消除LED色彩變化。彩色顯示器的各個畫素是由三個LED所組成，分別為紅色、綠色、藍(lán)色。藉由同 時進(jìn)行紅色、綠色及藍(lán)色LED的脈沖與混合，畫素便能呈現(xiàn)多達(dá)六百八十七億種色彩。以下范例將說明PWM調(diào)光。

為求簡單明了，此范例僅使用PWM調(diào)光的三個位。3個位等于23=8個陰影色度，因此各個LED可設(shè)定為0～7PWM灰階程度。各個視訊框開始時，所有 LED均全部熄滅。在第一個PWM頻率的上升邊緣，所有LED都會亮起，只有以0灰階值設(shè)定的LED未亮起。各個PWM頻率周期開始時，IC便會增加灰階 計數(shù)器。各個LED會持續(xù)亮起，直到PWM灰階計數(shù)器超過LED設(shè)定的PWM值為止。

圖4顯示此一程序，其中呈現(xiàn)簡化的3位PWM調(diào)光控制器的波形及區(qū)塊示意圖(圖5)。將紅色、綠色及藍(lán)色LED的灰階值分別設(shè)定為七、四及一，可在畫面上 呈現(xiàn)橘色畫素。設(shè)定為四灰階值的綠色LED會在第一個PWM頻率周期的上升邊緣亮起，并且經(jīng)過四個完整PWM頻率周期持續(xù)亮起。這個3位PWM調(diào)光范例能 針對各畫素產(chǎn)生五百一十二(23×23×23)種色彩。對于16位LED驅(qū)動器，則可產(chǎn)生兩百八十一兆(216×216×216)種色彩。

適當(dāng)搭配使用點修正、亮度控制及PWM調(diào)光，大屏幕上的影像更加完美無暇。如此完美的設(shè)計，使群眾對于大屏幕播放的影像產(chǎn)生響應(yīng)，而對于為了達(dá)到畫素間亮度匹配、使顯示器亮度配合環(huán)境光線條件、混合色彩以呈現(xiàn)完美影像等方面的關(guān)注與努力，則悄然潛藏在光彩奪目的熒光幕后