一種新型HDR電視背光控制技術的研究

龔強

摘要：本文主要針對一種新型HDR電視背光的控制技術展開了研究，闡述了HDR顯示屏對峰值照度的新要求，并對如何提升顯示屏的對比度作了系統的分析，以期能為有關方面的需要提供有益的參考和借鑒。

關鍵詞：HDR；電視背光；控制技術

0引言

隨著HDR顯示屏的推出后，逐漸取代了FHD以及普通4K屏，在消費者中得到了青睞。而HDR屏作為一種新型的顯示屏，在開發的過程中仍然存在著一個電力系統的問題，需要我們及時進行研究，采取一種新的電視背光控制技術來解決這個問題。基于此，本文就一種新型HDR電視背光的控制技術進行了探討，相信對有關方面的需要能有一定的幫助。

1 HDR顯示屏對峰值照度的新要求

現實中，如今HDR顯示屏的制造商會把峰值亮度定在約為800-1000尼特，雖然提升了對極深顏色的渲染，但也降低了最亮顏色的生動性。

如果只依靠數字PWM控制是無法解決這一問題的：

PWM控制的MOSFET有特定的最小占空比，這具體取決于關斷延遲和下降時間。而關斷延遲和下降時間是電力設備中的硅的基本屬性，這些屬性會阻止PWM控制器將亮度調到峰值輸出的0.1%以下。

2局部調光如何幫助提升顯示屏的對比度

顯示屏背光照明的方式會影響到對比度和調光布置。如今家庭中使用的大部分帶LED背光的電視都屬于側光式，采用全局動態調光。也就是說如果圖像大部分都較為明亮，那么整個顯示屏的背光就會以全功率或接近全功率運作，如果圖像大部分都較暗，那么整個顯示屏的背光就會調到較低水平。因此，全局動態調光不適合HDR顯示屏，尤其是因為它在處理需要同時顯示明暗部分的圖像時效果很差。

這意味著HDR技術需要帶局部調光的直下式背燈照明，這種結構要求更多的LED、更多LED通道和更為復雜的LED驅動系統，當然價格也更為昂貴。但是，如果將顯示屏的背光照明系統分成一個個區域（如今的47寸直下式背光照明電視通常分為16到256個區域），那么每個區域的背光亮度就可以與其所顯示的圖像部分的內容準確匹配。這樣，深暗藍色就可以與亮白色同時顯示，同時也不會因為對圖像較暗部分進行背光照明而浪費電力。

局部調光方法需要LED驅動器與視頻或圖形處理器（GPU）同步。如果設備之間的接口允許，則背光驅動器可以直接由GPU控制。

通過采用艾邁斯半導體的AS3824LED背光燈控制器可實現局部調光。圖1顯示了垂直同步信號（VSYNC——艾邁斯半導體LED控制器的一項專利功能）可以用于標記每個新建幀的開始，從而為背光燈控制器提供一個同步輸入。圖中，幀1在區域1中圖片較亮，因此需要非常高的PWM占空比，而在區域n中渲染的是圖像較暗的部分，所以占空比較低。而在幀2中，新的視頻內容意味著須更換這兩個區域的亮度。在幀1過程中GPU會發送指令為區域1和區域n提供新的PWM占空比，而這兩個區域的信號在幀2的上升沿進行刷新。

圖2顯示了VSYNC上升/下降沿與PWM信號的上升沿之間的延時。這一延遲可在AS3824控制器中設置：這就讓顯示屏制造商能夠根據LCD像素的打開時間進行延遲補償，使控制器能準確地在像素打開時點亮LED，這樣就可以提高圖像質量，并將功耗降到最低。延遲打開PWM還可以降低LED電源的負荷，減少系統所產生的噪音和干擾。

3模擬調光：一種增強峰值亮度的方法

諸如AS3824這樣的多通道LED控制器可以對16個通道進行單獨控制，從而實現屏幕各區域的精細調光。通過菊花鏈式結構最多可以將32個AS3824IC經由各自的SPI接口連接到一起，從而控制帶有16個區域以上的顯示屏（見圖2）。

但HDR顯示屏制造商仍就面臨著對比度的問題。他們如何既保留渲染非常暗的顏色的能力又能夠將峰值亮度提升到1000尼特以上呢？答案就是AS3824控制器IC中引入的一種專利創新：一種增強PWM控制電流的模擬方法。它最多能夠將PWM信號所控制的電流增強到基礎水平的8倍，從而更好地對圖像最亮的部分進行照明。同時，處理最暗部分的通道可以只使用基礎模擬LED電流的10%，PWM占空比也最小，可能只有0.1%。換言之，調光方案中數字PWM的動態范圍保持不變，而額外的模擬部分則拓寬了整體（模擬+數字）動態范圍（見圖3）。

這一額外的模擬調光通過集成在AS3824中的DAC實現。根據顯示屏視頻處理器或GPU提供的數字輸入信號DAC會提供一個基準電壓。該基準電壓放大后用于控制為通道上的LED供電的FET電流的幅度。實際上，模擬電流控制是一種以同步脈沖寬度調制和脈沖幅度調制為基礎的電源方案。

AS3824可以用于驅動額定電流較高的FET或BJT。外部開關電源的輸出電壓一定要與其所連接的LED串的電壓要求相匹配。過大的FET供電電壓余度會導致功率損耗并降低系統效率。

通過調節經R1流至其反饋（FB）引腳的電流，AS3824的DC-DC反饋功能可與任意類型的DC-DC轉換器（升壓或降壓）以及其它諸如LLC控制器之類的轉換器相配合來調節FET的供電電壓。反饋功能的控制可通過SPI進行設置。在手動反饋模式下，SMPS的輸出電壓可以直接通過AS3824進行調節。換言之，AS3824始終對SMPS的輸出電壓進行完全的控制，因此能夠將系統功率損失降到最低。

4精密的電源控制帶來更高的對比度

使用AS3824控制器來控制LED背光照明不僅可以實現對直下式背光顯示屏的精細、多通道控制，而且其帶來的模擬+數字調光范圍是傳統的僅使用數字PWM調光的LED背光控制器的數倍。這樣能大幅提高對比度，從而允許對顯示屏一些區域中最亮的白色進行再現，同時還能渲染另一些區域深暗的藍色和灰色，最終帶來的觀看體驗要遠勝于如今的FHD和普通4k電視和顯示屏。

16通道的AS3824是AS382x系列LED背光控制器的最新成員，專門用于HDR顯示屏。該系列中的其它產品有16通道的AS3820、12通道的AS3821、8通道的AS3822和6通道的AS3823。

5小結

綜上所述，HDR顯示屏相對FHD及普通4K屏來說，有著極大的高清進步，但是在開發過程中仍然存在著一定的問題，需要我們及時進行研究，以采取有效的技術手段進行處理解決。本文通過對一種新型HDR電視背光的控制技術進行探討，為HDR顯示屏解決開發的問題提供了極大清進步，但是在開發過程中仍然存在著一定的問題，需要我們及時進行研究，以采取有效的技術手段進行處理解決。本文通過對一種新型HDR電視背光的控制技術進行探討，為HDR顯示屏解決開發的問題提供了極大的幫助。