Local dimming高亮節能恒流控制算法的研究與應用

楊文祥 胡向峰 盤橋富 周建華 熊品

摘要：介紹了local dimming（區域調光）技術對LED 背光亮度及整機功率的影響，通過實驗數據分析了PWM（脈沖寬度調制）調光控制方式和DC（直流）調光控制方式引起的亮度變化、功率損耗、器件溫升等問題，并結合實際案例給出了具體的改善對策。通過實驗及大批量的生產驗證表明，提出的具有創新性的恒流動態幅值控制算法對LED 背光亮度、整機能效、器件溫升等都有極大改善，對local dimming 恒流控制方案的設計具有重要的借鑒和參考意義。

關鍵詞：local dimming；動態幅值；控制算法；節能

中圖分類號：TN873.93 文獻標識碼：A

0 引言

目前，LED 電視采用的控制背光燈條電流的調光方式有兩種，即直流（direct current，DC）調光方式和脈沖寬度調制（pulse width modulation，PWM）調光方式[1]。DC 調光方式為固定電流占空比，通過調整各分區燈珠所需電流幅值來改變燈條電流大小。在local dimming（區域調光）功能開啟后的動態畫面下，由于各通道的電流幅值不同，使得各燈珠所需的電壓不同，燈珠共陽連接，燈條電壓會以最大電流幅值分區所需的電壓提供，低電流幅值分區的差值電壓就會全落在恒流驅動集成電路（integrated circuit，IC） 上， 會使恒流驅動IC 溫度偏高，因此一般較少使用。PWM 調光技術為固定電流幅值，通過調整占空比（0 ～ 100%）實現燈條電流有效值調整，從而改變背光亮度。因此，PWM 調光技術使得燈條所需電壓一直維持在較高狀態，在占空比較低時，電流有效值小，而燈條電壓較高，故功耗較高，目前普遍采用此種調光方式。鑒于此，本文提出了一種local dimming 高亮節能恒流控制算法，能夠解決DC 調光方式和PWM調光方式存在的問題，既實現畫面的高亮顯示，又降低背光的功耗[2]，綠色節能。

1 傳統恒流控制算法介紹

目前，LED 背光電視大都采用傳統的PWM 控制技術[3] 或者DC 控制技術。PWM 調光方式的電流波形如圖1 所示，當PWM 調光時，燈條電流幅值（Im）保持不變，通過調整占空比（Duty）改變燈條電流的有效值（Iav）實現背光亮度的變化。即Iav=Im×Duty，其中占空比Duty=Ton/T（T 為控制周期，Ton 為開通時間），由于該調光方式固定電流幅值（Im），使得燈條電壓一直不變（維持在較高水平），在LED 所需較低占空比時（Ton 較小時）功耗較大，燈珠發光效率低。

DC 調光方式的電流波形如圖2 所示，DC 調光時各分區電流占空比維持在Ton=100%，通過改變各分區電流幅值（Im）控制電流有效值（Iav）。該方式雖然功耗相比PWM 有所降低，但在localdimming 開啟時，LED 燈條所需的電壓會按最大電流幅值的通道提供，其他低電流幅值通道的LED燈條不需要這么大的電壓時，差值電壓就會全壓在恒流驅動IC 上，使得恒流驅動IC 溫度升高。

2 新型恒流控制算法原理

PWM 調光控制方式低占空比時整機能耗較高，亮度偏低，而DC 調光控制方式則容易導致恒流驅動IC 溫度偏高。因此，針對PWM 調光控制方式和DC 調光控制方式各自存在的技術缺陷進行改進，并結合兩者的優點，提出一種local dimming 動態幅值恒流控制算法。

2.1 原理分析

恒流微程序控制器（microprogrammed controlunit，MCU） 接收到系統芯片（system on a chip，SOC）端發送的背光控制信號與分離的亮度數據后，根據是否開關高動態范圍拓展（high dynamic range，HDR）功能，計算當前幀數據大小以及所需控制的電流幅值，調整驅動IC 電流寄存器參數，完成燈條電流幅值及亮度數據刷新。流程如圖3 所示。

HDR 模式關閉，主板SOC 發送背光亮度數據串行外設接口（serial peripheral interface，SPI）給恒流板MCU 時，同步發送HDR 開關控制信號，恒流MCU 識別到HDR 關閉信號后，不處理主板SPI 信號，恒流MCU 控制燈條電流按初始設定值I0 設置。

HDR 模式開啟，主板SOC 發送背光亮度數據SPI 給恒流板MCU 時，同步發送HDR 開關控制信號，恒流MCU 識別到HDR 開啟信號后，計算當前背光亮度數據SPI 總值S=DATA（1） + DATA（2） +…+DATA（ N-1）+DATA（N）， 并 與 設 定的背光亮度數據SPI 總值Si = DATAi（1）+DATAi（2）+… +DATAi（N-1）+DATAi（N）進行比較，其中DATA（N）、DATAi（N）表示各分區背光亮度數據。若背光亮度數據SPI 總值S 大于等于設定背光亮度數據SPI 總值Si，恒流MCU 控制燈條電流幅值為初始設定電流值I0；若背光亮度數據SPI 總值S 小于設定背光亮度數據SPI 總值Si，恒流MCU控制燈條燈條電流幅值為I=I0×（Si/S）。實時刷新燈條電流幅值，確保燈條電流占空比維持在較大值，保證燈條電壓盡可能低，可降低電視機的背光功率，提升背光亮度，達到高亮節能的效果。優化后的調光方式電流波形如圖4 所示。

2.2 驗證結果

2.2.1 測試條件

針對本文所提出的高亮節能恒流控制算法，選取如下規格產品（表1）進行測試和實驗驗證。測試儀器包括數字功率計、數字萬用表、色彩分析儀CA-410。

2.2.2 測試數據

（1）算法優化前后電流幅值及占空比曲線。優化前的PWM 調光控制技術固定燈條電流幅值為120 mA，測試畫面窗口在1% ～ 100% 切換時，通過改變各通道電流占空比實現電流有效值調節和整機背光功率限制，燈條電流幅值變化情況如圖5a中虛線所示，燈條電流占空比變化情況如圖5a 中實線所示。PWM 調光方式中燈條電壓也與燈條電流幅值基本一致，占空比變化時燈條電壓基本不變，維持在較高值。

優化后的高亮節能恒流控制算法為燈條電流按照PWM+DC 結合的調光方式控制，將燈條電流占空比維持在較大或100% 狀態，根據功率限制實時計算當前幀畫面下的亮度數據總值來動態調節燈條電流幅值。測試畫面窗口在1% ～ 100% 切換時，燈條電流幅值變化趨勢如圖5b 中虛線所示，燈條電流占空比變化情況如圖5b 中實線所示，燈條電壓也隨燈條電流幅值變化而變化。

（2）算法優化前后亮度及功率曲線。優化前后兩種調光方式在1% ～ 100% 畫面窗口下亮度測試情況對比如圖6a 所示（實線為優化前，虛線為優化后），亮度曲線基本保持一致，且優化后亮度高于優化前亮度。

優化前后兩種調光方式在1% ～ 100% 畫面窗口下功率測試情況對比如圖6b 所示（實線為優化前，虛線為優化后），在1% ～ 30% 畫面窗口下功率基本保持一致，因為在此畫面窗口下，優化算法前后兩種調光方式的燈條電流幅值均為120 mA，占空比為100%，所以功率基本相同。原調光方式在30% ～ 100% 畫面窗口切換時，燈條電流幅值保持120 mA 不變，改變電流占空比為50% ～ 100%，此狀態燈條電壓保持不變且較高，故功率偏大。優化后調光方式在30% ～ 100% 畫面窗口切換時，燈條電流占空比保持100% 不變，改變燈條電流幅值為60 ～ 120 mA，此狀態燈條電壓也隨燈條電流幅值變化而變化，因此電壓降低后，背光功率也會有所降低。

（3）電流幅值及占空比變化對功率和亮度的影響。通過改變燈條電流幅值和占空比，保證在電流有效值相同的情況下，測試不同燈條電流幅值下燈條背光功率及背光亮度隨電流幅值及占空比的變化情況。

通過圖7 和表2 測試數據對比結果可知，在燈條電流有效值相同的情況下，燈條電流占空比越大，燈條電流幅值越低，燈條的亮度就越高，背光功率就越低；而燈條電流幅值越高，燈條電流占空比越小，燈條的功率就越高，背光亮度就越低。燈條的供電電壓是隨著燈條電流幅值變化的，燈條電流幅值越高，燈條電壓就越高；燈條電流幅值越低，燈條電壓就越低。背光亮度與電流的占空比相關，在電流有效值相同的情況下，燈條電流的占空比越高，背光亮度就越高；燈條電流的占空比越低，背光亮度就越低。利用電流幅值與背光功率的關系，以及電流占空比與背光亮度的關系，可以達到既不增加背光功率又能提高背光亮度的效果。本文所采用的local dimming 恒流控制算法即按照此種方式進行背光燈條電流幅值的調節，盡量保證燈條電流的占空比維持在較大值，降低燈條電流幅值，使得燈條電流在有效值相同的情況下實現燈條的電壓更低、亮度更高，這樣在保證高亮度的同時也降低了背光功率，達到高亮節能的效果。

3 結論

本文詳細分析local dimming 顯示中傳統的PWM調光方式和DC 調光方式各自存在的問題和缺陷，并提出了一種全新的恒流動態幅值控制算法，該控制算法根據實時計算每一幀畫面下的背光數據大小，動態控制燈條電流幅值，使燈條電流的占空比始終保持在較大值，在降低背光功率的同時，保證背光亮度沒有較多損失，提高LED 燈的發光效率，達到高亮節能的效果，既實現了畫面的高亮顯示，又降低了整機功耗，綠色節能。因此，本文提出的恒流動態幅值控制算法具有很強的實用性和廣泛的應用前景。

參考文獻

[1] 溫德爾. LED 驅動電路設計[M]. 謝云祥，王小剛，譯. 北京：人民郵電出版社，2009：74.

[2] 吳琦. 液晶電視LED 背光模組及區域調光控制技術淺析[J]. 山西電子技術，2012（4）：78-79.

[3] 王兆安，黃俊. 電力電子技術[M]. 4 版. 北京：機械工業出版社，2000：613.