三維液晶電視的LED驅(qū)動器解決方案

 三維液晶電視在LED驅(qū)動器IC的電流精度，峰值電流范圍，通道數(shù)，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(zhàn)略方法。

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

3D電視設(shè)計的一個挑戰(zhàn)因素是驅(qū)動背光LED串的電源電路。這些設(shè)備需要在非常短的時間內(nèi)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(xiàn)一致的亮度，必須非常精確地調(diào)節(jié)所提供的電流量。以前在任何應(yīng)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(xiàn)了專門為3D電視設(shè)計的新一代LED驅(qū)動器。

為了正確評估背光LED驅(qū)動器IC的規(guī)格，有助于了解影響3D電視操作的主要因素。

面向3D電視設(shè)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(fā)起的監(jiān)管意味著高效的LCD技術(shù) - 等離子體消耗的能量是傳統(tǒng)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(biāo)準(zhǔn)4.0版電視規(guī)范于2010年5月1日生效，為行業(yè)提供了嚴(yán)格的電力預(yù)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)。

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(jù)預(yù)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(guān)切換時間(《100 ns)，100，000小時的使用壽命，并且它們實現(xiàn)了緊湊的薄面板設(shè)計。

有兩種實現(xiàn)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(dǎo)，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(xiàn)良好的光學(xué)均勻性，并且可以實現(xiàn)厚度僅為5到10毫米的背光單元。

在直接背光系統(tǒng)中，LED直接位于LCD后面，實現(xiàn)低功耗，良好的散熱設(shè)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(guān)鍵優(yōu)勢是直接背光可以實現(xiàn)局部調(diào)光，從而提高功耗和動態(tài)對比度。

圖1：LED背光技術(shù)。

制作3D效果

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

快門眼鏡操作的挑戰(zhàn)是避免串?dāng)_和閃爍(見圖2)。由于3D模式下的時間復(fù)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(yù)計圖像速率甚至?xí)黾拥?80 Hz。

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

圖2：由串?dāng)_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(tài)之間切換：開啟至關(guān)閉時的響應(yīng)時間為0.1 ms，而接近開啟時的響應(yīng)時間為1.8 ms。其次，開放模式的透明度有限，導(dǎo)致亮度顯著降低。

表2：快門玻璃規(guī)格示例。

為避免由開關(guān)閉合切換持續(xù)時間引起的串?dāng)_，在轉(zhuǎn)換期間插入空白幀(參見圖3)。

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(yīng)時間。新電視機的最佳值為2毫秒，假設(shè)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(shè)計人員面臨的任務(wù)范圍。在3D模式下，必須在非常短的時間內(nèi)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(chǎn)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)。

表3：峰值LED在2D和3D模式下驅(qū)動電流。

高電流精度

高質(zhì)量電視必須在整個屏幕區(qū)域保持均勻的感知亮度。在LED背光系統(tǒng)中，這意味著LED驅(qū)動器的精度必須為±1.5%。該精度預(yù)算必須包括LED驅(qū)動器設(shè)備本身和外部電流設(shè)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(nèi)實現(xiàn)這種最低精度 - 這個范圍幾乎是僅2D設(shè)計的五倍。

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

應(yīng)該說，系統(tǒng)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(shè)置參考電流：電阻的精度已經(jīng)是±1.0%。因此，從系統(tǒng)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(qū)動器產(chǎn)品基于經(jīng)過調(diào)整，溫度和偏移補償?shù)母呔入娏骰鶞?zhǔn)。對于片上通道間匹配，可實現(xiàn)±0.2%的更高精度。

挑戰(zhàn)并不是在單個指定電流下達到所需的精度 - 許多普通的驅(qū)動器IC已經(jīng)可以實現(xiàn)這一目標(biāo)。難以在3D電視的操作條件下實現(xiàn)該準(zhǔn)確度值，其中驅(qū)動器IC必須支持2D和3D模式的當(dāng)前范圍，在存在高達電視機內(nèi)部所經(jīng)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(tǒng)的需求 - 優(yōu)先于邊緣照明系統(tǒng) - 可能很高，因為它們支持局部調(diào)光，這有助于降低能耗。反過來，這需要在每個幀內(nèi)設(shè)置大量LED通道。電視中可以找到多達200個頻道，由多個LED驅(qū)動芯片驅(qū)動，這些芯片必須在一個幀周期內(nèi)完成配置。

這需要高速菊花鏈SPI接口將多個LED驅(qū)動器連接到SPI主控制器。奧地利微電子公司已經(jīng)實施了一種特殊的SPI協(xié)議，用于將PWM設(shè)置數(shù)據(jù)快速塊傳輸?shù)蕉鄠€設(shè)備，或者為所有設(shè)備配置相同的數(shù)據(jù)，或者為多個字節(jié)寫入塊，以便對鏈中的每個設(shè)備進行單獨設(shè)置。

SPI接口還可以實現(xiàn)有效實現(xiàn)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(fā)生器，從而能夠在幀周期內(nèi)靈活地編程定時。在該方案下，可以最小化微控制器和LED驅(qū)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(shù)據(jù)傳輸; PWM發(fā)生器設(shè)置數(shù)據(jù)的更新時間由VSYNC時序精確設(shè)置。這保證了SPI數(shù)據(jù)傳輸與時序生成完全解耦，并且SPI時序不會產(chǎn)生依賴性或錯誤，如果主設(shè)備在微控制器上實現(xiàn)，這可能是非常不可預(yù)測的。

通過這些影子寄存器，PWM設(shè)置還可以在每個VSYNC周期內(nèi)生成多個脈沖，從而實現(xiàn)更復(fù)雜的BFI方案，并使VSYNC的頻率加倍。

結(jié)論

在LED電視中實現(xiàn)3D模式增加了對LED驅(qū)動器IC中電流精度，峰值電流范圍，通道數(shù)，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(jié)能方案和智能調(diào)光解決方案，用于邊緣和直接LED背光。

austriamicrosystems廣泛的產(chǎn)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(biāo)是為客戶提供在當(dāng)前精度，功效和系統(tǒng)支持方面的出色表現(xiàn)，并幫助他們實現(xiàn)出色的LED電視圖像質(zhì)量。奧地利微電子的大型LCD面板背光產(chǎn)品組合包括用于4通道，9通道，12通道和16通道應(yīng)用的高精度LED驅(qū)動器。