數(shù)碼相機(jī)TFT-LCD的背光及亮度調(diào)整方式設(shè)計(jì)

　　TFT-LCD液晶面板主要是由兩塊無(wú)鈉玻璃夾著一個(gè)由偏光板、液晶層和彩色濾光片構(gòu)成的夾層所組成。偏光板、彩色濾光片決定了有多少光可以通過以及生成何種顏色的光線。

　　TFT-LCD液晶顯示器的缺點(diǎn)在于亮度、畫面均勻度、可視角度和反應(yīng)時(shí)間上與CRT顯示器有比較明顯的差距。其中反應(yīng)時(shí)間和可視角度均取決于液晶面板的質(zhì)量，畫面均勻度和輔助光學(xué)模塊有很大關(guān)系。而液晶顯示器的亮度主要取決于背光光源。
 
TFT-LCD的兩種背光方式
 
　　早期采用高壓驅(qū)動(dòng)氖管作為數(shù)碼相機(jī)的背光光源，因?yàn)楦邏耗使艿谋彻怛?qū)動(dòng)線路復(fù)雜,要求驅(qū)動(dòng)電壓高,背光不均勻,已逐步淘汰。因此，高亮度發(fā)光二極管(LED)取代高壓氖管成為TFT-LCD背光驅(qū)動(dòng)的主流。
 
　　半導(dǎo)體LED，尤其是氮化物白光發(fā)光二極管，具有如下優(yōu)點(diǎn)_體積小、電壓低、壽命長(zhǎng)、回應(yīng)快、無(wú)頻閃、耗能少、發(fā)熱少等，正逐漸成為新一代綠色、節(jié)能、環(huán)保、長(zhǎng)壽命全固體照明光源。TFT-LCD液晶背光源現(xiàn)已幾乎全部使用LED背光光源。
 

背光LED的電流驅(qū)動(dòng)
 
TFT-LCD背光亮度調(diào)整及驅(qū)動(dòng)的兩種方法：
 
背光電流驅(qū)動(dòng)電路，如圖1所示。
 
　　說明：（1）VD：TFT-LCD背光工作直流電源，大小依LCD廠商提供的規(guī)格設(shè)計(jì)。（2）三極管Q1，Q2組成一個(gè)恒流源電路，Q1 Q2 工作在放大狀態(tài)，當(dāng)Q2工作時(shí)，調(diào)節(jié)B極電阻R22使Q2的C極電流達(dá)到額定電流值。因?yàn)長(zhǎng)ED發(fā)光二極管，導(dǎo)通后內(nèi)阻會(huì)變小，電流會(huì)逐漸增大，增加Q1 目的是分流Q2的B極電流，調(diào)節(jié)反饋電阻R20就可以控制流過背光發(fā)光二極管的電流并通過Q1 使電流達(dá)到穩(wěn)定。
 
　?。?）LCD_BL是CPU 控制信號(hào),此信號(hào)為方波, 信號(hào)頻率是固定的,例如7.5KHz。通過軟件調(diào)節(jié)改變信號(hào)占空比,控制Q2 導(dǎo)通時(shí)間,可控制單位時(shí)間內(nèi)流過發(fā)光二極管的電流,改變TFT-LCD的亮度。
 
　　 (4) TFT-LCD亮度設(shè)定一個(gè)默認(rèn)值0,將亮度分為7~11 個(gè)等級(jí),即-5/-4/-3/-2/-1/0/1/2/3/4/5，如廠商提供的LCD背光電流標(biāo)稱值為20mA,則意味調(diào)整背光電流最好不要超過此值太多,否則對(duì)背光LED壽命有影響。由于背光LED單體差異,當(dāng)工作電流小于標(biāo)稱值時(shí),LED的發(fā)光亮度差異比較大。下表數(shù)據(jù)為某相機(jī)使用以上電路作為TFT-LCD 背光亮度調(diào)整對(duì),對(duì)同一款TFT-LCD測(cè)試獲得的數(shù)據(jù)。
 

LCD背光測(cè)試資料
 

LCD亮度等級(jí)-5 0 5
 

電流電壓電流電壓電流電壓
 

1 # 4mA 13.5V 4mA 13.5V 15mA 13.5V
 

2 # 4mA 13.5V 4mA 13.5V 16mA 13.5V
 

3 # 4mA 13.5V 15mA 13.5V 19mA 13.5V
 

4 # 5mA 13.5V 17mA 13.5V 21mA 13.5V
 

備注_亮度等級(jí)_-5, LCD_BL duty=30%
 

0 default ,LCD_BL duty=60%
 

-5, LCD_BL duty=95%
 

　　從以上測(cè)試結(jié)果資料發(fā)現(xiàn),在default 0 時(shí),1#和2#級(jí)LCD亮度是低于亮度要求標(biāo)準(zhǔn),(亮度標(biāo)準(zhǔn)不小于250 cd/m2,表中只列出背光電流值,沒有列出測(cè)試的亮度數(shù)值)并且工作電流遠(yuǎn)小于規(guī)格要求。
 
　　(5)相機(jī)背光亮度軟件設(shè)定的default 0,采用輸出占空比為60%~70%,在此默認(rèn)值情況下調(diào)節(jié)電路,使背光電流恒定在廠商要求的規(guī)格（如20mA）可以確保TFT-LCD亮度值比較穩(wěn)定。
 
　　以上電路雖然線路簡(jiǎn)單,軟件調(diào)整方便,但實(shí)際效果不理想, 因?yàn)楸彻釲ED差異,很難確保TFT-LCD亮度控制的一致性。新一代相機(jī)都使用恒流源背光,用軟件調(diào)整信號(hào)幅度來(lái)實(shí)現(xiàn)亮度調(diào)整。 
  
　　MAXIM公司 MAX1567 是許多數(shù)碼相機(jī)使用的一款電源芯片，它內(nèi)部集成有六個(gè)通道,可提供六路電源給相機(jī)使用,軟啟動(dòng)電路也集成在IC內(nèi)部,確保在開機(jī)時(shí)不會(huì)出現(xiàn)大電流。其中MAIN、SET-UP、SET-DOWN三個(gè)通道的MOSFET都集成在IC內(nèi)部，為PCB設(shè)計(jì)小型化提供了方便,DL1~DL3三個(gè)通道根據(jù)設(shè)計(jì)者的要求可做為升壓型或降壓型電路使用，其中DL3通道又可做為一個(gè)背光恒流源通道使用。以TOPPLY公司的TP018A LED為例，規(guī)格要求背光電壓為10.5V,電流為20mA,所以電路設(shè)計(jì)選用升壓型電路,為確保電池在低電壓狀態(tài)下能夠比較容易開機(jī)，電感L計(jì)算后選取3.3uH,使升壓型電路工作在非連續(xù)模式。
 
　　說明：(1)升壓電路輸出電壓調(diào)節(jié):電阻R1, R2 串聯(lián)到地,R2 上的分壓反饋給ICPIN1腳,此腳內(nèi)部OFFSET電壓為1.25V,要求電流小于100nA,電阻R1和R2計(jì)算如下：
 

VOUT=10.5V,
 

ILEAKCURRENT= VOUT/R1<100nA, 則R1>105ＭΩ,選取R1=110ＭΩ
 

由VFBH=VOUT*R2/(R1+R2)=1.25，計(jì)求得R2=14.8ＭΩ，
 

　　(2)電流反饋回路電阻選取: TP018A LED背光電流為20mA,PIN39為電流反饋端,內(nèi)部OFFSET電壓為0.2V,輸入阻抗非常大,電阻R接近于串聯(lián)在背光LED電路中,可得出R=10Ω。
 
　　(3)恒流調(diào)節(jié)過程:當(dāng)FB3L腳OFFSET電壓為0.2V時(shí),說明背光電流達(dá)到規(guī)定值20mA,當(dāng)PIN39引腳反饋電壓小于0.2V時(shí),即背光電流未到規(guī)定值,則升壓電路控制端PIN35 輸出的控制信號(hào)占空比增大,使輸出電路電壓升高,從而提高驅(qū)動(dòng)電流,達(dá)到恒流設(shè)計(jì)的20mA為止。
 
　　(4) 在設(shè)計(jì)測(cè)試過程中發(fā)現(xiàn),因TFT-LCD單體差異,即使背光電源達(dá)到規(guī)定要求的10.5V,電流也未必達(dá)到20mA,所以亮度會(huì)有差異。解決的辦法是升壓電路輸出電壓設(shè)計(jì)值要比規(guī)定要求的10.5V高一些,根據(jù)測(cè)試調(diào)節(jié)值分析,比規(guī)定值高出2~3V比較合適。依VOUT=13.5V設(shè)計(jì),求得R1=140ＭΩ,R2=14.2ＭΩ。從而確保TFT-LCD背光亮度的一致性,此設(shè)計(jì)通過生產(chǎn)驗(yàn)證達(dá)到設(shè)計(jì)目的。
 
　　(5)TFT-LCD輸入信號(hào)一般有模擬及數(shù)字兩種方式,對(duì)于模擬輸入信號(hào),通過軟件調(diào)節(jié)R,G,B三基色信號(hào)的幅值,并由示波器測(cè)量可達(dá)到控制亮度的目的。
 
　　具體軟件調(diào)節(jié)方式的軟件程序在此不詳細(xì)列出。
 
結(jié)語(yǔ)
 
　　通過以上TFT-LCD背光亮度調(diào)整及驅(qū)動(dòng)兩種方式的分析, 第二種TFT-LCD背光恒流電路及軟件亮度調(diào)整是一種比較理想的方式,在數(shù)碼相機(jī)應(yīng)用中得到了驗(yàn)證,是一款比較合理的解決方案。
 

參考文獻(xiàn):
 

1.MAX1566/1567 IC DATASHEET
 

2.TOPPLY TFT-LCD TP018A SPEC 2003 DATASHEET