三維液晶電視的LED驅(qū)動(dòng)器解決方案

三維液晶電視在LED驅(qū)動(dòng)器IC的電流精度，峰值電流范圍，通道數(shù)，時(shí)序速度和精度方面要求極高。本文解釋了這些問(wèn)題，并指出了解決這些問(wèn)題的一些戰(zhàn)略方法。

三維視頻是電視行業(yè)中最熱門的新技術(shù)。對(duì)于領(lǐng)先的電視品牌來(lái)說(shuō)，它代表了他們保持利潤(rùn)和市場(chǎng)領(lǐng)導(dǎo)地位的最重要策略，因?yàn)閯?chuàng)造出色的3D觀看體驗(yàn)需要高度先進(jìn)的技術(shù)和復(fù)雜的圖像處理 - 他們擅長(zhǎng)的領(lǐng)域。

3D電視設(shè)計(jì)的一個(gè)挑戰(zhàn)因素是驅(qū)動(dòng)背光LED串的電源電路。這些設(shè)備需要在非常短的時(shí)間內(nèi)精確切換，但（對(duì)于3D觀察）需要相對(duì)較高的峰值電流。另外，為了在屏幕上實(shí)現(xiàn)一致的亮度，必須非常精確地調(diào)節(jié)所提供的電流量。以前在任何應(yīng)用中都不需要如此苛刻的精度，電流能力和時(shí)序組合，因此出現(xiàn)了專門為3D電視設(shè)計(jì)的新一代LED驅(qū)動(dòng)器。

為了正確評(píng)估背光LED驅(qū)動(dòng)器IC的規(guī)格，有助于了解影響3D電視操作的主要因素。

面向3D電視設(shè)計(jì)師的制約因素

在3D市場(chǎng)中，LCD與等離子之間的競(jìng)爭(zhēng)只會(huì)成為一個(gè)贏家。雖然等離子體比LCD更快，但政府在歐洲和美國(guó)發(fā)起的監(jiān)管意味著高效的LCD技術(shù) - 等離子體消耗的能量是傳統(tǒng)LCD的兩倍，而LED背光可以進(jìn)一步提高LCD效率 - 是唯一可行的選擇。美國(guó)的EnergyStar?標(biāo)準(zhǔn)4.0版電視規(guī)范于2010年5月1日生效，為行業(yè)提供了嚴(yán)格的電力預(yù)算。計(jì)劃于2012年5月推出的5.0版本進(jìn)一步削減了最大允許的“開啟”功率（見表1）。

表1：能源之星?“開啟”各種屏幕尺寸的功率要求。

LED背光正在被廣泛采用。據(jù)預(yù)測(cè)，到2012年，由于其提供的卓越性能，70％的液晶電視將使用LED背光而不是冷陰極熒光燈。

特別是，LED背光提供了改善的色域和飽和度，非常短的開/關(guān)切換時(shí)間（《100 ns），100，000小時(shí)的使用壽命，并且它們實(shí)現(xiàn)了緊湊的薄面板設(shè)計(jì)。

有兩種實(shí)現(xiàn)LED背光的方法（見圖1）：

在間接背光照明中，LED排列在邊緣，并配有光導(dǎo)，使光線均勻分布在LCD。這種布置可以在屏幕尺寸高達(dá)40英寸的情況下實(shí)現(xiàn)良好的光學(xué)均勻性，并且可以實(shí)現(xiàn)厚度僅為5到10毫米的背光單元。

在直接背光系統(tǒng)中，LED直接位于LCD后面，實(shí)現(xiàn)低功耗，良好的散熱設(shè)計(jì)和出色的可擴(kuò)展性，幾乎不限制屏幕尺寸。面板可以制成10至25毫米厚。一個(gè)關(guān)鍵優(yōu)勢(shì)是直接背光可以實(shí)現(xiàn)局部調(diào)光，從而提高功耗和動(dòng)態(tài)對(duì)比度。

圖1：LED背光技術(shù)。

制作3D效果

對(duì)于3D立體可視化，眼鏡用于實(shí)現(xiàn)右眼和左眼的右透視圖和左透視圖的時(shí)間復(fù)用。已經(jīng)很清楚，由于具有卓越的3D分辨率和出色的2D圖像質(zhì)量，快門眼鏡類型的眼鏡將戰(zhàn)勝偏光眼鏡的競(jìng)爭(zhēng)技術(shù)。偏光眼鏡的使用降低了2D使用中的圖像質(zhì)量，并且在很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)，由于3D編程的稀缺性，大多數(shù)3D集合的觀看將處于2D模式。

快門眼鏡操作的挑戰(zhàn)是避免串?dāng)_和閃爍（見圖2）。由于3D模式下的時(shí)間復(fù)用，需要將顯示速率從120Hz有效加倍到240Hz以避免閃爍問(wèn)題。對(duì)于高端市場(chǎng)電視，預(yù)計(jì)圖像速率甚至?xí)黾拥?80 Hz。

Crosstalk是左圖像通道泄漏到右眼視圖中，反之亦然。串?dāng)_的感知是所謂的“鬼影”，其中陰影圖像是可見的。避免串?dāng)_需要LCD，LED背光和快門眼鏡的極其精確的同步。

圖2：由串?dāng)_引起的重影偽像需要極其精確的同步LCD，LED背光和快門眼鏡。

液晶快門（LCS）眼鏡有兩個(gè)必須考慮的問(wèn)題（見表2）。首先，它們需要大量時(shí)間在透明和非透明狀態(tài)之間切換：開啟至關(guān)閉時(shí)的響應(yīng)時(shí)間為0.1 ms，而接近開啟時(shí)的響應(yīng)時(shí)間為1.8 ms。其次，開放模式的透明度有限，導(dǎo)致亮度顯著降低。

表2：快門玻璃規(guī)格示例。

為避免由開關(guān)閉合切換持續(xù)時(shí)間引起的串?dāng)_，在轉(zhuǎn)換期間插入空白幀（參見圖3）。

圖3：3D電視的黑幀插入（BFI）時(shí)序。

除了快門眼鏡的限制外，還必須考慮LCD的響應(yīng)時(shí)間。新電視機(jī)的最佳值為2毫秒，假設(shè)幀周期為4.1毫秒的240赫茲圖像速率，背光的“開啟”時(shí)間小于2毫秒。

然后，這定義了電源電路設(shè)計(jì)人員面臨的任務(wù)范圍。在3D模式下，必須在非常短的時(shí)間內(nèi)施加高LED電流，并且非常精確地控制時(shí)序。

高峰值電流

由于低占空比和快門眼鏡的透明度有限，因此需要高LED峰值電流才能在3D模式下產(chǎn)生足夠的亮度。 3D模式下的峰值電流顯著高于2D模式（見表3）。

表3：峰值LED在2D和3D模式下驅(qū)動(dòng)電流。

高電流精度

高質(zhì)量電視必須在整個(gè)屏幕區(qū)域保持均勻的感知亮度。在LED背光系統(tǒng)中，這意味著LED驅(qū)動(dòng)器的精度必須為±1.5％。該精度預(yù)算必須包括LED驅(qū)動(dòng)器設(shè)備本身和外部電流設(shè)置電阻器引入的所有偏差。更重要的是，必須在整個(gè)2D和3D電流范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)這種最低精度 - 這個(gè)范圍幾乎是僅2D設(shè)計(jì)的五倍。

為了實(shí)現(xiàn)此功能，奧地利微電子的設(shè)備實(shí)現(xiàn)了一種架構(gòu)，該架構(gòu)使用一個(gè)高精度DAC在2D模式和3D模式下以相同的精度設(shè)置電流。這避免了對(duì)復(fù)雜校正方案的需要，例如依賴于模式的校正查找表。

應(yīng)該說(shuō)，系統(tǒng)精度±1.5％的值極難達(dá)到。為了深入了解有多困難，可以考慮通常使用外部電阻設(shè)置參考電流：電阻的精度已經(jīng)是±1.0％。因此，從系統(tǒng)的角度來(lái)看，片上電流吸收精度只有±0.5％的容差。

為了達(dá)到±0.5％的絕對(duì)電流精度，奧地利微電子的面板照明LED驅(qū)動(dòng)器產(chǎn)品基于經(jīng)過(guò)調(diào)整，溫度和偏移補(bǔ)償?shù)母呔入娏骰鶞?zhǔn)。對(duì)于片上通道間匹配，可實(shí)現(xiàn)±0.2％的更高精度。

挑戰(zhàn)并不是在單個(gè)指定電流下達(dá)到所需的精度 - 許多普通的驅(qū)動(dòng)器IC已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)。難以在3D電視的操作條件下實(shí)現(xiàn)該準(zhǔn)確度值，其中驅(qū)動(dòng)器IC必須支持2D和3D模式的當(dāng)前范圍，在存在高達(dá)電視機(jī)內(nèi)部所經(jīng)歷的水平的波動(dòng)溫度的情況下。

定時(shí)和通信

對(duì)直接背光系統(tǒng)的需求 - 優(yōu)先于邊緣照明系統(tǒng) - 可能很高，因?yàn)樗鼈冎С志植空{(diào)光，這有助于降低能耗。反過(guò)來(lái)，這需要在每個(gè)幀內(nèi)設(shè)置大量LED通道。電視中可以找到多達(dá)200個(gè)頻道，由多個(gè)LED驅(qū)動(dòng)芯片驅(qū)動(dòng)，這些芯片必須在一個(gè)幀周期內(nèi)完成配置。

這需要高速菊花鏈SPI接口將多個(gè)LED驅(qū)動(dòng)器連接到SPI主控制器。奧地利微電子公司已經(jīng)實(shí)施了一種特殊的SPI協(xié)議，用于將PWM設(shè)置數(shù)據(jù)快速塊傳輸?shù)蕉鄠€(gè)設(shè)備，或者為所有設(shè)備配置相同的數(shù)據(jù)，或者為多個(gè)字節(jié)寫入塊，以便對(duì)鏈中的每個(gè)設(shè)備進(jìn)行單獨(dú)設(shè)置。

SPI接口還可以實(shí)現(xiàn)有效實(shí)現(xiàn)黑幀插入（BFI）所需的精確時(shí)序。必須使用VSYNC和HSYNC輸入信號(hào)將時(shí)序與幀速率同步。然后，這需要與這些信號(hào)同步運(yùn)行的獨(dú)立PWM發(fā)生器，從而能夠在幀周期內(nèi)靈活地編程定時(shí)。在該方案下，可以最小化微控制器和LED驅(qū)動(dòng)器芯片組上的定時(shí)控制器之間的交互。

奧地利微電子公司實(shí)施了專用的影子寄存器，允許在整個(gè)VSYNC期間進(jìn)行SPI數(shù)據(jù)傳輸; PWM發(fā)生器設(shè)置數(shù)據(jù)的更新時(shí)間由VSYNC時(shí)序精確設(shè)置。這保證了SPI數(shù)據(jù)傳輸與時(shí)序生成完全解耦，并且SPI時(shí)序不會(huì)產(chǎn)生依賴性或錯(cuò)誤，如果主設(shè)備在微控制器上實(shí)現(xiàn)，這可能是非常不可預(yù)測(cè)的。

通過(guò)這些影子寄存器，PWM設(shè)置還可以在每個(gè)VSYNC周期內(nèi)生成多個(gè)脈沖，從而實(shí)現(xiàn)更復(fù)雜的BFI方案，并使VSYNC的頻率加倍。

結(jié)論

在LED電視中實(shí)現(xiàn)3D模式增加了對(duì)LED驅(qū)動(dòng)器IC中電流精度，峰值電流范圍，通道數(shù)，時(shí)序速度和精度的需求。與此同時(shí)，能源限制將迫使制造商使用先進(jìn)的節(jié)能方案和智能調(diào)光解決方案，用于邊緣和直接LED背光。

austriamicrosystems廣泛的產(chǎn)品組合支持邊緣照明，直接照明，流光溢彩和3D電視。該公司的目標(biāo)是為客戶提供在當(dāng)前精度，功效和系統(tǒng)支持方面的出色表現(xiàn)，并幫助他們實(shí)現(xiàn)出色的LED電視圖像質(zhì)量。奧地利微電子的大型LCD面板背光產(chǎn)品組合包括用于4通道，9通道，12通道和16通道應(yīng)用的高精度LED驅(qū)動(dòng)器。