智能調(diào)光技術(shù)幫助優(yōu)化新HDR電視的視覺效果和能耗

作者/ David Gamperl 艾邁斯半導(dǎo)體

摘要：分辨率是電視和顯示屏制造商的核心競爭領(lǐng)域。但在HDR(高動(dòng)態(tài)范圍)顯示屏推出后，消費(fèi)者開始了解到對比度同樣對觀看效果有著巨大的影響。本文介紹了提高對比度遇到的挑戰(zhàn)，以及艾邁斯半導(dǎo)體開發(fā)的創(chuàng)新LED驅(qū)動(dòng)控制技術(shù)的解決方法。

引言

　　分辨率是電視和顯示屏制造商的核心競爭領(lǐng)域。消費(fèi)者愿意花費(fèi)更高的價(jià)錢購買HD(高清晰度)顯示屏及最近的4K顯示屏。未來超高清的8K顯示屏將會(huì)取代當(dāng)前這一代高端電視。

　　在HDR(高動(dòng)態(tài)范圍)顯示屏推出后，消費(fèi)者開始了解到對比度同樣對觀看效果有著巨大的影響(如圖1)。HDR顯示屏可以通過在最明亮的淺色和最深、最暗的黑色之間形成更大的對比，為消費(fèi)者帶來更精彩生動(dòng)的觀看體驗(yàn)。

　　但是，顯示屏制造商在開發(fā)新的HDR顯示屏?xí)r需要解決一個(gè)電力系統(tǒng)的設(shè)計(jì)問題：高對比度不僅需要一個(gè)具有非常高亮度的背光燈來真實(shí)再現(xiàn)圖像極亮的部分，而且高電流的背光電路還必須能輸出非常暗的光來正確渲染圖像較暗的部分。同時(shí)，電視制造商必須滿足諸如美國能源部推出的ENERGY STAR?能源之星計(jì)劃這樣的嚴(yán)苛法規(guī)法令，該計(jì)劃嚴(yán)格限制了新電視的平均能耗。

　　傳統(tǒng)的PWM背光調(diào)光方法最多只能在最高和最低電流之間實(shí)現(xiàn)1:1000的比率。如果一個(gè)功率控制器IC只支持?jǐn)?shù)字PWM調(diào)光方法，那么在用于高性能的HDR顯示屏?xí)r就會(huì)導(dǎo)致浪費(fèi)電能，而且圖像質(zhì)量也會(huì)受影響。因此需要一種新的電視背光控制方法來進(jìn)一步拉大最高和最低亮度的差距，并對顯示屏各區(qū)域的背光進(jìn)行精細(xì)的局部控制。

HDR顯示屏對峰值照度的新要求

　　Dolby憑借其Dolby Vision?項(xiàng)目成為向世人展示了高性能HDR電視的公司。在其2015年展示的產(chǎn)品中，顯示屏峰值亮度達(dá)到了4000尼特。相比而言，如今的HD或4K電視的峰值亮度一般都在300尼特左右。在峰值照度顯著提升后，電視就能真實(shí)再現(xiàn)極亮的圖像，并加大亮暗之間的對比度。

　　這種大對比度使得HDR顯示屏看起來非常舒服，但同樣也給電力系統(tǒng)的設(shè)計(jì)出了道難題。因?yàn)?，如果要正確再現(xiàn)深藍(lán)色、黑色和灰色，背光燈需要調(diào)到非常暗。這意味著如果峰值亮度為4000尼特，而傳統(tǒng)的PWM控制器最多只能調(diào)暗至峰值亮度的0.1%，如此一來，最低的顯示屏亮度就不夠低，深黑色就會(huì)全部被渲染成偏灰的顏色。

　　現(xiàn)實(shí)中，如今HDR顯示屏的制造商會(huì)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(dòng)性。

　　如果只依靠數(shù)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(guān)斷延遲和下降時(shí)間。而關(guān)斷延遲和下降時(shí)間是電力設(shè)備中的硅的基本屬性，這些屬性會(huì)阻止PWM控制器將亮度調(diào)到峰值輸出的0.1%以下。

局部調(diào)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(huì)影響到對比度和調(diào)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(cè)光式，采用全局動(dòng)態(tài)調(diào)光。也就是說如果圖像大部分都較為明亮，那么整個(gè)顯示屏的背光就會(huì)以全功率或接近全功率運(yùn)作，如果圖像大部分都較暗，那么整個(gè)顯示屏的背光就會(huì)調(diào)到較低水平。因此，全局動(dòng)態(tài)調(diào)光不適合HDR顯示屏，尤其是因?yàn)樗谔幚硇枰瑫r(shí)顯示明暗部分的圖像(如圖1)時(shí)效果很差。

　　這意味著HDR技術(shù)需要帶局部調(diào)光的直下式背燈照明，這種結(jié)構(gòu)要求更多的LED、更多LED通道和更為復(fù)雜的LED驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，當(dāng)然價(jià)格也更為昂貴。但是，如果將顯示屏的背光照明系統(tǒng)分成一個(gè)個(gè)區(qū)域(如今的47寸直下式背光照明電視通常分為16到256個(gè)區(qū)域)，那么每個(gè)區(qū)域的背光亮度就可以與其所顯示的圖像部分的內(nèi)容準(zhǔn)確匹配。這樣，深暗藍(lán)色就可以與亮白色同時(shí)顯示，同時(shí)也不會(huì)因?yàn)閷D像較暗部分進(jìn)行背光照明而浪費(fèi)電力。

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

　　通過采用艾邁斯半導(dǎo)體的AS3824 LED背光燈控制器可實(shí)現(xiàn)局部調(diào)光。圖2顯示了垂直同步信號(hào)(VSYNC——艾邁斯半導(dǎo)體LED控制器的一項(xiàng)專利功能)可以用于標(biāo)記每個(gè)新建幀的開始，從而為背光燈控制器提供一個(gè)同步輸入。圖中，幀1在區(qū)域1中圖片較亮，因此需要非常高的PWM占空比，而在區(qū)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(nèi)容意味著須更換這兩個(gè)區(qū)域的亮度。在幀1過程中GPU會(huì)發(fā)送指令為區(qū)域1和區(qū)域n提供新的PWM占空比，而這兩個(gè)區(qū)域的信號(hào)在幀2的上升沿進(jìn)行刷新。

　　圖2顯示了VSYNC上升/下降沿與PWM信號(hào)的上升沿之間的延時(shí)。這一延遲可在AS3824控制器中設(shè)置：這就讓顯示屏制造商能夠根據(jù)LCD像素的打開時(shí)間進(jìn)行延遲補(bǔ)償，使控制器能準(zhǔn)確地在像素打開時(shí)點(diǎn)亮LED，這樣就可以提高圖像質(zhì)量，并將功耗降到最低。延遲打開PWM還可以降低LED電源的負(fù)荷，減少系統(tǒng)所產(chǎn)生的噪音和干擾。

模擬調(diào)光：一種增強(qiáng)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(gè)通道進(jìn)行單獨(dú)控制，從而實(shí)現(xiàn)屏幕各區(qū)域的精細(xì)調(diào)光。通過菊花鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)最多可以將32個(gè)AS3824 IC經(jīng)由各自的SPI接口連接到一起，從而控制帶有16個(gè)區(qū)域以上的顯示屏(見圖3)。

　　但HDR顯示屏制造商仍就面臨著對比度的問題。他們?nèi)绾渭缺Ａ翡秩痉浅０档念伾哪芰τ帜軌驅(qū)⒎逯盗炼忍嵘?000尼特以上呢?答案就是AS3824控制器IC中引入的一種專利創(chuàng)新：一種增強(qiáng)PWM控制電流的模擬方法。它最多能夠?qū)WM信號(hào)所控制的電流增強(qiáng)到基礎(chǔ)水平的8倍，從而更好地對圖像最亮的部分進(jìn)行照明。同時(shí)，處理最暗部分的通道可以只使用基礎(chǔ)模擬LED電流的10%，PWM占空比也最小，可能只有0.1%。換言之，調(diào)光方案中數(shù)字PWM的動(dòng)態(tài)范圍保持不變，而額外的模擬部分則拓寬了整體(模擬+數(shù)字)動(dòng)態(tài)范圍(見圖4)。

　　這一額外的模擬調(diào)光通過集成在AS3824中的DAC實(shí)現(xiàn)。根據(jù)顯示屏視頻處理器或GPU提供的數(shù)字輸入信號(hào)DAC會(huì)提供一個(gè)基準(zhǔn)電壓。該基準(zhǔn)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(shí)際上，模擬電流控制是一種以同步脈沖寬度調(diào)制和脈沖幅度調(diào)制為基礎(chǔ)的電源方案。

　　AS3824可以用于驅(qū)動(dòng)額定電流較高的FET或BJT。外部開關(guān)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(huì)導(dǎo)致功率損耗并降低系統(tǒng)效率。

　　通過調(diào)節(jié)經(jīng)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(zhuǎn)換器(升壓或降壓)以及其它諸如LLC控制器之類的轉(zhuǎn)換器相配合來調(diào)節(jié)FET的供電電壓。反饋功能的控制可通過SPI進(jìn)行設(shè)置。在手動(dòng)反饋模式下，SMPS的輸出電壓可以直接通過AS3824進(jìn)行調(diào)節(jié)。換言之，AS3824始終對SMPS的輸出電壓進(jìn)行完全的控制，因此能夠?qū)⑾到y(tǒng)功率損失降到最低。

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(shí)現(xiàn)對直下式背光顯示屏的精細(xì)、多通道控制，而且其帶來的模擬+數(shù)字調(diào)光范圍是傳統(tǒng)的僅使用數(shù)字PWM調(diào)光的LED背光控制器的數(shù)倍。這樣能大幅提高對比度，從而允許對顯示屏一些區(qū)域中最亮的白色進(jìn)行再現(xiàn)，同時(shí)還能渲染另一些區(qū)域深暗的藍(lán)色和灰色，最終帶來的觀看體驗(yàn)要遠(yuǎn)勝于如今的HD和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(chǎn)品有16通道的AS3820、12通道的AS3821、8通道的AS3822和6通道的AS3823。

小結(jié)

　　本文介紹了艾邁斯半導(dǎo)體開發(fā)的創(chuàng)新LED驅(qū)動(dòng)控制技術(shù)，它將模擬電流控制與傳統(tǒng)的PWM調(diào)光技術(shù)相結(jié)合，調(diào)光范圍大大超出了僅使用數(shù)字PWM的控制方法。這讓顯示屏制造商能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)高于當(dāng)前市場上的對比度，并顯著提升觀看體驗(yàn)。

本文來源于《電子產(chǎn)品世界》2017年第1期第79頁，歡迎您寫論文時(shí)引用，并注明出處。