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三维液晶电视的LED驱动器解决方案

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  三维液晶电视在LED驱动器——LB1848MC-AH的电流精度,峰值电流范围,通道数,时序速度和精度方面要求极高。本文解释了这些问题,并指出了解决这些问题的一些战略方法。

  三维视频是电视行业中最热门的新技术。对于领先的电视品牌来说,它代表了他们保持利润和市场领导地位的最重要策略,因为创造出色的3D观看体验需要高度先进的技术和复杂的图像处理 - 他们擅长的领域。

  3D电视设计的一个挑战因素是驱动背光LED串的电源电路。这些设备需要在非常短的时间内精确切换,但(对于3D观察)需要相对较高的峰值电流。另外,为了在屏幕上实现一致的亮度,必须非常精确地调节所提供的电流量。以前在任何应用中都不需要如此苛刻的精度,电流能力和时序组合,因此出现了专门为3D电视设计的新一代LED驱动器。

  为了正确评估背光LED驱动器IC的规格,有助于了解影响3D电视操作的主要因素。

  面向3D电视设计师的制约因素

  在3D市场中,LCD与等离子之间的竞争只会成为一个赢家。虽然等离子体比LCD更快,但政府在欧洲和美国发起的监管意味着高效的LCD技术 - 等离子体消耗的能量是传统LCD的两倍,而LED背光可以进一步提高LCD效率 - 是唯一可行的选择。美国的EnergyStar?标准4.0版电视规范于2010年5月1日生效,为行业提供了严格的电力预算。计划于2012年5月推出的5.0版本进一步削减了最大允许的“开启”功率(见表1)。

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  表1:能源之星?“开启”各种屏幕尺寸的功率要求。

  LED背光正在被广泛采用。据预测,到2012年,由于其提供的卓越性能,70%的液晶电视将使用LED背光而不是冷阴极荧光灯。

  特别是,LED背光提供了改善的色域和饱和度,非常短的开/关切换时间(《100 ns),100,000小时的使用寿命,并且它们实现了紧凑的薄面板设计。

  有两种实现LED背光的方法(见图1):

  在间接背光照明中,LED排列在边缘,并配有光导,使光线均匀分布在LCD。这种布置可以在屏幕尺寸高达40英寸的情况下实现良好的光学均匀性,并且可以实现厚度仅为5到10毫米的背光单元。

  在直接背光系统中,LED直接位于LCD后面,实现低功耗,良好的散热设计和出色的可扩展性,几乎不限制屏幕尺寸。面板可以制成10至25毫米厚。一个关键优势是直接背光可以实现局部调光,从而提高功耗和动态对比度。

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  图1:LED背光技术。

  制作3D效果

  对于3D立体可视化,眼镜用于实现右眼和左眼的右透视图和左透视图的时间复用。已经很清楚,由于具有卓越的3D分辨率和出色的2D图像质量,快门眼镜类型的眼镜将战胜偏光眼镜的竞争技术。偏光眼镜的使用降低了2D使用中的图像质量,并且在很长一段时间内,由于3D编程的稀缺性,大多数3D集合的观看将处于2D模式。

  快门眼镜操作的挑战是避免串扰和闪烁(见图2)。由于3D模式下的时间复用,需要将显示速率从120Hz有效加倍到240Hz以避免闪烁问题。对于高端市场电视,预计图像速率甚至会增加到480 Hz。

  Crosstalk是左图像通道泄漏到右眼视图中,反之亦然。串扰的感知是所谓的“鬼影”,其中阴影图像是可见的。避免串扰需要LCD,LED背光和快门眼镜的极其精确的同步。

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  图2:由串扰引起的重影伪像需要极其精确的同步LCD,LED背光和快门眼镜。

  液晶快门(LCS)眼镜有两个必须考虑的问题(见表2)。首先,它们需要大量时间在透明和非透明状态之间切换:开启至关闭时的响应时间为0.1 ms,而接近开启时的响应时间为1.8 ms。其次,开放模式的透明度有限,导致亮度显着降低。

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  表2:快门玻璃规格示例。

  为避免由开关闭合切换持续时间引起的串扰,在转换期间插入空白帧(参见图3)。

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  图3:3D电视的黑帧插入(BFI)时序。

  除了快门眼镜的限制外,还必须考虑LCD的响应时间。新电视机的最佳值为2毫秒,假设帧周期为4.1毫秒的240赫兹图像速率,背光的“开启”时间小于2毫秒。

  然后,这定义了电源电路设计人员面临的任务范围。在3D模式下,必须在非常短的时间内施加高LED电流,并且非常精确地控制时序。

  高峰值电流

  由于低占空比和快门眼镜的透明度有限,因此需要高LED峰值电流才能在3D模式下产生足够的亮度。 3D模式下的峰值电流显着高于2D模式(见表3)。

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  表3:峰值LED在2D和3D模式下驱动电流。

  高电流精度

  高质量电视必须在整个屏幕区域保持均匀的感知亮度。在LED背光系统中,这意味着LED驱动器的精度必须为±1.5%。该精度预算必须包括LED驱动器设备本身和外部电流设置电阻器引入的所有偏差。更重要的是,必须在整个2D和3D电流范围内实现这种最低精度 - 这个范围几乎是仅2D设计的五倍。

  为了实现此功能,奥地利微电子的设备实现了一种架构,该架构使用一个高精度DAC在2D模式和3D模式下以相同的精度设置电流。这避免了对复杂校正方案的需要,例如依赖于模式的校正查找表。

  应该说,系统精度±1.5%的值极难达到。为了深入了解有多困难,可以考虑通常使用外部电阻设置参考电流:电阻的精度已经是±1.0%。因此,从系统的角度来看,片上电流吸收精度只有±0.5%的容差。

  为了达到±0.5%的绝对电流精度,奥地利微电子的面板照明LED驱动器产品基于经过调整,温度和偏移补偿的高精度电流基准。对于片上通道间匹配,可实现±0.2%的更高精度。

  挑战并不是在单个指定电流下达到所需的精度 - 许多普通的驱动器IC已经可以实现这一目标。难以在3D电视的操作条件下实现该准确度值,其中驱动器IC必须支持2D和3D模式的当前范围,在存在高达电视机内部所经历的水平的波动温度的情况下。

  定时和通信

  对直接背光系统的需求 - 优先于边缘照明系统 - 可能很高,因为它们支持局部调光,这有助于降低能耗。反过来,这需要在每个帧内设置大量LED通道。电视中可以找到多达200个频道,由多个LED驱动芯片驱动,这些芯片必须在一个帧周期内完成配置。

  这需要高速菊花链SPI接口将多个LED驱动器连接到SPI主控制器。奥地利微电子公司已经实施了一种特殊的SPI协议,用于将PWM设置数据快速块传输到多个设备,或者为所有设备配置相同的数据,或者为多个字节写入块,以便对链中的每个设备进行单独设置。

  SPI接口还可以实现有效实现黑帧插入(BFI)所需的精确时序。必须使用VSYNC和HSYNC输入信号将时序与帧速率同步。然后,这需要与这些信号同步运行的独立PWM发生器,从而能够在帧周期内灵活地编程定时。在该方案下,可以最小化微控制器和LED驱动器芯片组上的定时控制器之间的交互。

  奥地利微电子公司实施了专用的影子寄存器,允许在整个VSYNC期间进行SPI数据传输; PWM发生器设置数据的更新时间由VSYNC时序精确设置。这保证了SPI数据传输与时序生成完全解耦,并且SPI时序不会产生依赖性或错误,如果主设备在微控制器上实现,这可能是非常不可预测的。

  通过这些影子寄存器,PWM设置还可以在每个VSYNC周期内生成多个脉冲,从而实现更复杂的BFI方案,并使VSYNC的频率加倍。

  结论

  在LED电视中实现3D模式增加了对LED驱动器IC中电流精度,峰值电流范围,通道数,时序速度和精度的需求。与此同时,能源限制将迫使制造商使用先进的节能方案和智能调光解决方案,用于边缘和直接LED背光。

  austriamicrosystems广泛的产品组合支持边缘照明,直接照明,流光溢彩和3D电视。该公司的目标是为客户提供在当前精度,功效和系统支持方面的出色表现,并帮助他们实现出色的LED电视图像质量。奥地利微电子的大型LCD面板背光产品组合包括用于4通道,9通道,12通道和16通道应用的高精度LED驱动器。


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