В статье обсуждаются вопросы проектирования системы светодиодной подсветки для LCD-дисплеев большого размера. Рассмотрены усовершенствованные методы регулировки яркости светодиодов, особенности построения системы питания и управления тепловыми режимами, а также выбор оптимальной конфигурации блока светодиодной подсветки, которая обеспечивает высокий уровень качества изображения и низкое энергопотребление LCD-панели. Статья представляет собой перевод [1].
Светодиодная подсветка весьма быстро становится наиболее привлекательной технологией для LCD-телевизоров и используется для дисплеев все большего размера. Нет сомнений, что светодиоды станут доминирующим источником света во всех LCD-приложениях благодаря возможности создания тонкой конструкции дисплея, малой потребляемой мощности и того факта, что светодиоды обеспечивают высокие характеристики дисплея. Системные разработчики должны иметь представление о том, как оптимизировать блок светодиодной подсветки, чтобы добиться успеха на этом конкурентном рынке.
Системные разработчики LCD-телевизоров сталкиваются с рядом проблем при проектировании ТВ-панелей следующего поколения на базе светодиодной подсветки. Они должны выбрать архитектуру светодиодной подсветки (прямая или краевая подсветка), а также метод регулировки яркости светодиодов, систему управления питанием и метод тепловой защиты. Им также необходимо обеспечить точность и стабильность цвета, а также использовать наилучший метод синхронизации управления светодиодной подсветкой с работой видеопроцессора при реализации различных технологий подсветки. Кроме того, следует выбрать оптимальный графический интерфейс пользователя для светодиодной подсветки.
Выбор этих решений становится особенно важными для ТВ-панелей большого размера и высокого разрешения. Так как развитие технологии ТВ-панелей движется в сторону реализации в них полного 1080p-разрешения, а размеры экранов увеличиваются, характеристики блоков подсветки играют все возрастающую роль в повышении общего качества изображения.
Имеется несколько критически важных факторов, которые необходимо учитывать при проектировании светодиодных блоков подсветки телевизоров следующего поколения с большим размером экрана. Например, необходимо обеспечить высокий уровень равномерности освещенности, как по краям экрана, так и от центра экрана к краю, а также сочетание высокой динамической контрастности с глубоким и насыщенным уровнем черного. Цветовая гамма также играет важную роль и должна соответствовать или превосходить требования NTSC. Необходимо обеспечить все требования по времени отклика матрицы (Motion Picture Response Time — MPRT), а также высокий уровень светоотдачи для минимизации потребляемой мощности.
Для того, чтобы получить удовлетворительное качество картинки, производители ТВ-панелей используют различные методы регулировки яркости светодиодов, в том числе краевую регулировку (edge-lit — D0) или, для улучшения эффективности, сканирующую регулировку (scanning dimming — D1), а также локальную (зональную) регулировку (local dimming — D2). Наилучшее качество картинки достигается при реализации светодиодного блока подсветки с использованием метода локальной регулировки яркости индивидуальных R-, G- и B-светодиодов (D3).
Кроме качества изображения, имеется ряд проблем, связанных с реализацией каждого из вышеуказанных способов светодиодной подсветки. Светодиодные блоки с краевой (edge-lit) и прямой (direct-lit) подсветкой имеют различные требования, которые влияют на энергоэффективность системы и выбор схемы питания.
Разработчики должны выбрать оптимальный метод управления светодиодными цепочками. Также большое значение имеет выбор системы управления освещением, которая обеспечивает точное задание тока светодиода в широком диапазоне входных напряжений и рабочих температур с использованием надежной тепловой защиты. При реализации RGB-светодиодного блока подсветки необходимо точное управление цветом, а также синхронизация с системным видеопроцессором при разных способах управления этим блоком (включая регулировку яркости по методам D0, D1, D2 и D3).
В общем случае, светодиодный блок подсветки содержит множество цепочек белых или R-, G- и B-светодиодов. Кроме того, светодиодный блок подсветки включает контроллер управления освещением, который включает в себя интерфейс видеопроцессора для регулировки яркости, а также датчик внешней освещенности (для блока подсветки с белыми светодиодами) или датчик RGB-цветов (для блока подсветки с RGB-светодиодами) и необходимые диагностические функции. Блок подсветки также содержит подсистему питания, которая может включать в себя один или более источников питания с управлением тепловыми режимами и интерфейс с блоком управления и контроля освещением. Наконец, последними компонентами светодиодного блока подсветки являются драйверы светодиодов и связанные с ними схемы защиты.
Главными требованиями к подсистеме питания блока подсветки являются низкая стоимость, компактные размеры и высокий уровень энергоэффективности, причем на каждый из этих факторов влияет выбор способа регулировки яркости. Например, для блока с краевой подсветкой с использованием регулировки яркости по методу D0 будут нужны большое количество низкопрофильных источников питания, в то время как для блока с прямой подсветкой с локальной или зонной регулировкой яркости по методу D2 можно использовать меньшее количество более крупных блоков питания.
Чтобы понять, как влияет метод реализации регулировки яркости на топологию блока питания, важно понять, как работают светодиоды. Светодиоды — это приборы, управляемые током, яркость свечения которых прямо пропорциональна прямому току. Этот ток обеспечивается источником постоянного тока, что позволяет сохранить равномерную яркость свечения. Источник постоянного тока обеспечивает постоянный ток независимо от отклонений прямого напряжения светодиода при изменении температуры. На рисунке 1 показан RGB-светодиодный блок подсветки, в котором питание матриц RGB-светодиодов осуществляется с помощью источника питания постоянного напряжения, а ток задается индивидуальными источниками тока. В случае использования цепочек белых светодиодов, каждый из цветных светодиодов можно заменить на белый светодиод.
Энергоэффективность блока подсветки с использованием RGB-светодиодов, показанного на рисунке 1, не является оптимальной. Блок питания должен обеспечить максимальное прямое напряжение для всей матрицы светодиодов. Это привело бы к чрезмерному рассеиванию мощности из-за разной величины прямого напряжения светодиодов различного цвета свечения и разброса прямого напряжения светодиодов одного цвета. Такой разброс вызван отклонением параметров светодиодов в процессе их производства.
Например, типовая величина прямого напряжения светодиода Luxeon компании Lumiled красного цвета свечения составляет 2,95 В, а зеленого цвета свечения — 3,99 В. Если предположить, что в матрице имеется 10 светодиодов, а номинальный ток светодиода составляет 0,35 А, то падение напряжения на матрице красных светодиодов составит 29,5 В, а на матрице зеленых светодиодов — 39,9 В, что привело бы дополнительному рассеиванию мощности для красной матрицы, равному (39,9 В – 29,5 В) · 0,35 A = = 3,64 Вт.
Для того, чтобы улучшить энергоэффективность, системные разработчики могут использовать индивидуальные DC/DC-преобразователи для каждой (R, G и B) светодиодной матрицы/цепочки и вместо преобразователя использовать источник постоянного тока, в котором стабилизируется напряжение на токочувствительном резисторе. Несмотря на то, что это более дорогостоящий подход, он обеспечивает существенно лучшую энергоэффективность и может быть использован в схеме, в которой вместо цветных используются белые светодиоды.
Другой важной проблемой является управление тепловыми режимами. В светодиодном блоке подсветки необходимо предусмотреть возможность контроля абсолютного теплового коэффициента светодиодов. Это позволяет уменьшить световой поток при росте температуры. Если рабочий цикл ШИМ увеличивается быстрее, чем уменьшается падение прямого напряжения светодиода, то может произойти неуправляемый нагрев светодиодов. В блоках управления и контроля освещения необходимо предусмотреть возможность измерения температуры светодиодов и, в случае превышения заранее установленного значения, уменьшения рабочего цикла всех ШИМ-сигналов, чтобы предотвратить тепловой пробой в светодиодах и, тем самым, предупредить отказы в блоке подсветки и в дисплее.
Управление цветом также имеет большое значение. Для блоков подсветки на белых светодиодах для поддержки общего уровня освещенности дисплея требуется только светочувствительный датчик, а в системах на базе цветных светодиодов необходим более сложный RGB-датчик, а также схема управления уровнем белого, который может быть установлен заранее или выбран пользователем. Оптимальное качество изображения достигается благодаря использованию усовершенствованных методов регулировки яркости, в том числе сканирующей регулировки (D1), локальной или зональной регулировки (D2) или локальной регулировки яркости индивидуальных R-, G- и B-светодиодов (D3) (см. рис. 2).
Для покадровой синхронизации светодиодного блока подсветки с видеопроцессором, данные для каждой из световых зон, которые управляются этим блоком подсветки, должны быть синхронно обновлены. Если световые зоны и панельные данные не синхронизированы достаточно точно, то качество изображения ухудшается. Для оптимальной синхронизации требуется высокоскоростное соединение, например, по шине SPI. Кроме того, могут понадобиться специальные коммуникационные протоколы для передачи данных для каждой световой зоны при локальной (зонной) регулировки (D2) и для каждой R-, G- и B-цепочки при локальной (зонной) регулировки на базе RGB-светодиодов (D3). Высокоскоростной интерфейс также требуется для передачи тактового сигнала и данных VSYNC при синхронизации данных. Коммуникационная шина должна также иметь возможность разрешать/блокировать передачу данных для того, чтобы управлять каждой зоной в режиме сканирующей регулировки яркости (D1).
Компания Microsemi впервые предложила метод, который назвали адаптивной локальной регулировкой яркости (adaptive local dimming), позволяющий обеспечить подсветку только тех областей изображения, где это необходимо, и ослабить освещенность более темных областей изображения. Новый метод позволяет сделать черный цвет более насыщенным и существенно улучшить цветопередачу, контрастность, резкость движущегося изображения и уровень серого, а также обеспечить энергосбережение за счет исключения подсветки в тех областях, где это не нужно.
Этот метод подсветки реализован в контроллере подсветки LX23204 компании Microsemi, который поддерживает различные конфигурации с использованием длинных, высоковольтных (до 300 В) светодиодных цепочек для краевой подсветки. Этот подход также используется в 32-портовом контроллере светодиодной подсветки LX24132 и 8-портовом драйвере светодиодов LX23108L, которые обеспечивают масштабируемое, интегрированное решение для приложений с прямой и краевой подсветкой на базе белых или RGB-светодиодов в плоских ТВ-панелях.
Разработчики LCD-дисплеев имеют в своем распоряжении широкий набор методов при проектировании оптимальной конфигурации ТВ-панелей со светодиодной подсветкой, а также могут выбрать архитектуру блока подсветки и используемую технологию, что существенно влияет на их стоимость и качество, особенно для экранов большого размера. Оптимальная схема контроля и управления подсветкой способна улучшить энергоэффективность и качество изображения при более низкой стоимости системы. Наилучшее качество изображения достигается при использовании блока с прямой подсветкой при реализации метода локальной (зонной) регулировки яркости индивидуальных R-, G- и B-светодиодов (D3). Тем не менее, с появлением новых технологий регулировки яркости, возможно достижение выдающегося качества изображения и динамической контрастности с глубочайшим уровнем черного при использовании сверхтонкой конструкции дисплея с краевой подсветкой.
Литература
1. Xiaoping Jin, Arkadiy Peker. System-level approach yields optimized LED backlight design//LEDsmagazine, September/October 2010.
 |
Рис. 1. RGB-подсветка с одним источником питания |
 |
Рис. 2. Усовершенствованная схема для зонной регулировки яркости RGB-светодиодов |