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三維液晶電視的LED驅動器解決方案

電子設計 ? 來源:郭婷 ? 作者:電子設計 ? 2019-03-06 08:18 ? 次閱讀

三維液晶電視在LED驅動器IC的電流精度,峰值電流范圍,通道數,時序速度和精度方面要求極高。本文解釋了這些問題,并指出了解決這些問題的一些戰略方法。

三維視頻是電視行業中最熱門的新技術。對于領先的電視品牌來說,它代表了他們保持利潤和市場領導地位的最重要策略,因為創造出色的3D觀看體驗需要高度先進的技術和復雜的圖像處理 - 他們擅長的領域。

3D電視設計的一個挑戰因素是驅動背光LED串的電源電路。這些設備需要在非常短的時間內精確切換,但(對于3D觀察)需要相對較高的峰值電流。另外,為了在屏幕上實現一致的亮度,必須非常精確地調節所提供的電流量。以前在任何應用中都不需要如此苛刻的精度,電流能力和時序組合,因此出現了專門為3D電視設計的新一代LED驅動器。

為了正確評估背光LED驅動器IC的規格,有助于了解影響3D電視操作的主要因素。

面向3D電視設計師的制約因素

在3D市場中,LCD與等離子之間的競爭只會成為一個贏家。雖然等離子體比LCD更快,但政府在歐洲和美國發起的監管意味著高效的LCD技術 - 等離子體消耗的能量是傳統LCD的兩倍,而LED背光可以進一步提高LCD效率 - 是唯一可行的選擇。美國的EnergyStar?標準4.0版電視規范于2010年5月1日生效,為行業提供了嚴格的電力預算。計劃于2012年5月推出的5.0版本進一步削減了最大允許的“開啟”功率(見表1)。

三維液晶電視的LED驅動器解決方案

表1:能源之星?“開啟”各種屏幕尺寸的功率要求。

LED背光正在被廣泛采用。據預測,到2012年,由于其提供的卓越性能,70%的液晶電視將使用LED背光而不是冷陰極熒光燈。

特別是,LED背光提供了改善的色域和飽和度,非常短的開/關切換時間(《100 ns),100,000小時的使用壽命,并且它們實現了緊湊的薄面板設計。

有兩種實現LED背光的方法(見圖1):

在間接背光照明中,LED排列在邊緣,并配有光導,使光線均勻分布在LCD。這種布置可以在屏幕尺寸高達40英寸的情況下實現良好的光學均勻性,并且可以實現厚度僅為5到10毫米的背光單元。

在直接背光系統中,LED直接位于LCD后面,實現低功耗,良好的散熱設計和出色的可擴展性,幾乎不限制屏幕尺寸。面板可以制成10至25毫米厚。一個關鍵優勢是直接背光可以實現局部調光,從而提高功耗和動態對比度。

圖1:LED背光技術。

制作3D效果

對于3D立體可視化,眼鏡用于實現右眼和左眼的右透視圖和左透視圖的時間復用。已經很清楚,由于具有卓越的3D分辨率和出色的2D圖像質量,快門眼鏡類型的眼鏡將戰勝偏光眼鏡的競爭技術。偏光眼鏡的使用降低了2D使用中的圖像質量,并且在很長一段時間內,由于3D編程的稀缺性,大多數3D集合的觀看將處于2D模式。

快門眼鏡操作的挑戰是避免串擾和閃爍(見圖2)。由于3D模式下的時間復用,需要將顯示速率從120Hz有效加倍到240Hz以避免閃爍問題。對于高端市場電視,預計圖像速率甚至會增加到480 Hz。

Crosstalk是左圖像通道泄漏到右眼視圖中,反之亦然。串擾的感知是所謂的“鬼影”,其中陰影圖像是可見的。避免串擾需要LCD,LED背光和快門眼鏡的極其精確的同步。

圖2:由串擾引起的重影偽像需要極其精確的同步LCD,LED背光和快門眼鏡。

液晶快門(LCS)眼鏡有兩個必須考慮的問題(見表2)。首先,它們需要大量時間在透明和非透明狀態之間切換:開啟至關閉時的響應時間為0.1 ms,而接近開啟時的響應時間為1.8 ms。其次,開放模式的透明度有限,導致亮度顯著降低。

三維液晶電視的LED驅動器解決方案

表2:快門玻璃規格示例。

為避免由開關閉合切換持續時間引起的串擾,在轉換期間插入空白幀(參見圖3)。

三維液晶電視的LED驅動器解決方案

圖3:3D電視的黑幀插入(BFI)時序。

除了快門眼鏡的限制外,還必須考慮LCD的響應時間。新電視機的最佳值為2毫秒,假設幀周期為4.1毫秒的240赫茲圖像速率,背光的“開啟”時間小于2毫秒。

然后,這定義了電源電路設計人員面臨的任務范圍。在3D模式下,必須在非常短的時間內施加高LED電流,并且非常精確地控制時序。

高峰值電流

由于低占空比和快門眼鏡的透明度有限,因此需要高LED峰值電流才能在3D模式下產生足夠的亮度。 3D模式下的峰值電流顯著高于2D模式(見表3)。

三維液晶電視的LED驅動器解決方案

表3:峰值LED在2D和3D模式下驅動電流。

高電流精度

高質量電視必須在整個屏幕區域保持均勻的感知亮度。在LED背光系統中,這意味著LED驅動器的精度必須為±1.5%。該精度預算必須包括LED驅動器設備本身和外部電流設置電阻器引入的所有偏差。更重要的是,必須在整個2D和3D電流范圍內實現這種最低精度 - 這個范圍幾乎是僅2D設計的五倍。

為了實現此功能,奧地利微電子的設備實現了一種架構,該架構使用一個高精度DAC在2D模式和3D模式下以相同的精度設置電流。這避免了對復雜校正方案的需要,例如依賴于模式的校正查找表。

應該說,系統精度±1.5%的值極難達到。為了深入了解有多困難,可以考慮通常使用外部電阻設置參考電流:電阻的精度已經是±1.0%。因此,從系統的角度來看,片上電流吸收精度只有±0.5%的容差。

為了達到±0.5%的絕對電流精度,奧地利微電子的面板照明LED驅動器產品基于經過調整,溫度和偏移補償的高精度電流基準。對于片上通道間匹配,可實現±0.2%的更高精度。

挑戰并不是在單個指定電流下達到所需的精度 - 許多普通的驅動器IC已經可以實現這一目標。難以在3D電視的操作條件下實現該準確度值,其中驅動器IC必須支持2D和3D模式的當前范圍,在存在高達電視機內部所經歷的水平的波動溫度的情況下。

定時和通信

對直接背光系統的需求 - 優先于邊緣照明系統 - 可能很高,因為它們支持局部調光,這有助于降低能耗。反過來,這需要在每個幀內設置大量LED通道。電視中可以找到多達200個頻道,由多個LED驅動芯片驅動,這些芯片必須在一個幀周期內完成配置。

這需要高速菊花鏈SPI接口將多個LED驅動器連接到SPI主控制器。奧地利微電子公司已經實施了一種特殊的SPI協議,用于將PWM設置數據快速塊傳輸到多個設備,或者為所有設備配置相同的數據,或者為多個字節寫入塊,以便對鏈中的每個設備進行單獨設置。

SPI接口還可以實現有效實現黑幀插入(BFI)所需的精確時序。必須使用VSYNC和HSYNC輸入信號將時序與幀速率同步。然后,這需要與這些信號同步運行的獨立PWM發生器,從而能夠在幀周期內靈活地編程定時。在該方案下,可以最小化微控制器和LED驅動器芯片組上的定時控制器之間的交互。

奧地利微電子公司實施了專用的影子寄存器,允許在整個VSYNC期間進行SPI數據傳輸; PWM發生器設置數據的更新時間由VSYNC時序精確設置。這保證了SPI數據傳輸與時序生成完全解耦,并且SPI時序不會產生依賴性或錯誤,如果主設備在微控制器上實現,這可能是非常不可預測的。

通過這些影子寄存器,PWM設置還可以在每個VSYNC周期內生成多個脈沖,從而實現更復雜的BFI方案,并使VSYNC的頻率加倍。

結論

在LED電視中實現3D模式增加了對LED驅動器IC中電流精度,峰值電流范圍,通道數,時序速度和精度的需求。與此同時,能源限制將迫使制造商使用先進的節能方案和智能調光解決方案,用于邊緣和直接LED背光。

austriamicrosystems廣泛的產品組合支持邊緣照明,直接照明,流光溢彩和3D電視。該公司的目標是為客戶提供在當前精度,功效和系統支持方面的出色表現,并幫助他們實現出色的LED電視圖像質量。奧地利微電子的大型LCD面板背光產品組合包括用于4通道,9通道,12通道和16通道應用的高精度LED驅動器。

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