彩色LED背光源调频调光与混色方法

2015-01-06杨宗阳1波2章小兵2祁凌云2

液晶与显示 2015年5期

杨宗阳1,刘波2,3,4,章小兵2,3,4,5,祁凌云2,3,4∗

(1.总参陆航部军事代表局驻南京地区军事代表室,江苏南京211100; 2.中航华东光电有限公司,安徽芜湖241002; 3.特种显示国家工程实验室,安徽芜湖241002; 4.国家特种显示工程技术研究中心,安徽芜湖241002; 5.安徽工业大学电气信息学院,安徽马鞍山243002)

彩色LED背光源调频调光与混色方法

杨宗阳1,刘波2,3,4,章小兵2,3,4,5,祁凌云2,3,4∗

介绍了一种使用橙、绿、蓝三基色LED灯作为背光灯的平板显示模块背光源。本背光源亮度的调节通过变频调光技术实现。最终的标准白色光利用这种三色灯的调光脉冲高电平时间混色的方法得到,并按照光传感器输出的数据来微调三色灯调光脉冲高电平时间。这种调光与混色的方法可以有效改善由于温度变化带来的背光源亮度、色温变化与色坐标漂移。

LED背光;混色;调光

1 引言

目前,LED技术已普遍应用并发展到相当成熟的程度。同时,各种彩色LED也日渐研发成熟,同时带来了成本的大幅下降。由于橙绿蓝三种颜色LED灯混和出的背光,色域宽,颜色还原能力强。因此,多颜色LED混色背光技术是目前研究的热点问题。

LED电路通常使用的电源驱动方式有电感开关电源[1-2]、电容开关电源[3]、线性电源[4-5]、开关电源和线性电源联合驱动的方式[6],文献[7]介绍了一种用光耦器件调节LED灯串电流的方式。

电感开关电源因其驱动能力强和效率高的特点,通常用在大功率驱动场合,电路中有较大的纹波和地弹,需具备电磁兼容设计措施。电容开关电源即电荷泵电路,驱动电流有限,一般小于300 m A[3],输出电压一般不超过输入电压的3倍。

线性电源驱动一般用于电磁兼容要求高的情况,这是由于其几乎不存在纹波与地弹,因而对电路的干扰程度较小。合理选择LED灯串联的个数,可以使线性电源的效率＞80%。

多彩灯混色可以采用调流方式和调占空比方式,彩灯按照一定亮度比例进行混色得到白色光源。

日本曾经在2000年推出了多芯片型LED背光产品。此后,各大主流公司相继研发出以多芯片型LED为背光的高性能LCD。关于混色实现方法,目前可查阅文献不多。文献[8]中采用多阶线性拟合的方法实现配色,由于液晶屏、光学模组等差异导致各液晶显示模块存在差异,针对每块液晶显示模块标定线性拟合系数是一件繁杂的工作,不利于批量生产。因此寻求一种方便的混色方式是必要的。

2 调频调光电路框图

LED灯采用橙、绿和蓝三色合一方法,三色灯均为八灯一串。表1为电流为20 m A时,三色灯的电压值。

橙灯需要先用降压芯片把28 V降至19 V,然后驱动橙灯,以提高橙灯线性恒流源的工作效率。

表1 典型电流值时的电压值(常温)Tab.1 Voltage on typical electricity(normal temperature)

图1 调频调光混色电路框图Fig.1 FM&diming and color mixing circuit diagram

如图1所示,橙色、绿色与蓝色LED灯均使用一路线性恒流源驱动的方式,每一路的总和电流为200 m A,来保证每一串灯的电流均为20 m A。每一路的线性恒流源均独立采用调频调光信号,具有相同的频率与不同的占空时间,并以FPGA作为控制器,采样颜色传感器的数据来控制高电平的占空时间进行混色。根据上位机的调光指令调整工作频率,控制背光亮度。

3 调频调光

要求LED背光源用3种颜色的背光灯亮度按一定的比例进行混合,得到色温在6 500 K左右,色坐标u′＝0.198,v′＝0.468的标准白色光源,见图2。调频调光的步骤如下:

图2 USC色度图(1976)Fig.2 USC chroma(1976)

3.1 构造调频时基电路

调频时基电路的上升沿是三色灯调光信号的高电平起始点,调频时基信号的高平持续时间TON固定,设定为10μs,三色灯调光信号的高电平持续时间TO、TG、TB都小于等于TON,见图3。

图3 调频时基波形和三色调频调光波形Fig.3 Basic wave and RGB FM&diming pulse on FM

3.2 调整三色灯调光脉冲的占空时间TO、TG、TB

首先设置调频时基电路的频率是100 k Hz。再设置三色灯中要求亮度最高的红灯调光脉冲的高电平时间,高电平持续时间小于8 μs;其次设置绿灯和蓝灯;然后按比例混色,这需要在平板显示系统综合分析仪器SS230上进行(图4),一般蓝色分量过多则色温高,红色分量过多则色温低。

调整三色灯的调光脉冲高电平时间,使色温达到(6 500±100)K,色坐标u′＝0.198,v′＝0.468。

图4 SS-230平板显示综合分析系统Fig.4 SS-230 FPD synthesized system

3.3 调频调光

三色灯的调光高电平时间固定后,3种颜色的灯产生的亮度比例就固定了,然后通过调整时基电路的频率,可以保证背光源亮度大小变化而色温色坐标可以保持不变。

3.4 颜色传感器采样三色光亮度

采用TCS230光传感器采样R、G和B三分量的亮度。TCS230发出频率与亮度成正比的脉冲,脉冲频率越高则光源越亮。由于采用的是固定高电平时间的脉冲调光方式,TCS230输出的频率不易测量,另外其与真实亮度关系复杂,故此我们测量时基电路200个上升沿时间内的脉冲个数作为三色灯的亮度。

采样得到的三色灯亮度数据在调光级数30以上基本恒定,见表2。在调光级数30以下随着亮度下降,TCS230三颜色通道采样到的脉冲个数全部明显增大,但比例关系基本恒定。

3.5 亮度和颜色闭环控制

当平板液晶显示器的出屏亮度达800～1 000 cd/m2时,由于LED灯的发光效率＜20%,故此产生了大量的热量。以最大亮度点屏30 min后,背光板达到热稳定,在有高温限亮的措施下,温度也达到了70℃,温度升高近50℃。3种颜色的灯在恒流工作方式下,随着温度升高它们的亮度都在减小,橙灯衰减的速度要大于蓝灯,见表3。

表2 调光级数与TCS230颜色传感器红绿蓝3通道输出脉冲个数的关系Tab.2 Relation between adjusting brightness series and number of pulse output from TCS230 RGB gallery

表3 初始亮度1 130 cd/m2,TCS230三个颜色通道输出脉冲个数与背光温度的关系(补偿前)Tab.3 Relation between number of pulse output from TCS230 RGB gallery and backlight temperature on initial luminance 1 130 cd/m2(before)

首先保证红色分量的亮度,当其减小时,可以增加高电平持续时间,最大不能超过时基电路的高电平时间10μs(实际情况是不会超过9μs),就补偿至设定值,其次调整绿灯和蓝灯。经过温度补偿后,出屏亮度变化在±1%之内,色温在(6 500±100)K之间。

4 结论

绿灯和蓝灯直接采用线性电源驱动。橙灯先用开关降压电路进行降压,然后采用线性电源驱动方式以提高电路的工作效率。采样200个周期内TCS230三颜色通道输出的脉冲个数作为3种颜色的亮度数据。该数据不会随调光级数变化而明显变化,但会随温度变化而明显变化,可以利用增加三色灯调光周期内高电平持续时间的方式来进行补偿。

调频混色方法以三色灯的高电平时间长短来混出满足白平衡的背光源,并且方便实现温度补偿。该方法可以根据不同显示模块的差异,设置3个不同的混色时间,颜色不会随亮度变化而变化,提高了产品状态的一致性。

[1] Pieter G,Noborn K,Robert F M,et al.LED light source for backlighting with integrated electronics:United States,US 2007/0046485 A1[P].2007-03-01.

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[3] 郭鹏.恒压型白光LED驱动电路研究与实现[D].杭州:浙江大学,2006.Guo P.Constant voltage white light LED driving circuit research and realization[D].Hangzhou:Zhejiang University Mater Dissertation,2006:23-25.(in Chinese)

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[8] 刘波,章小兵.使用多色LED补色的背光源[J].液晶与显示,2010,25(5):699-701.Liu B,Zhang X B.Backlight unit with multi-color LED used for color complementation[J].Chinese Journal of Liquid Crystals and Displays,2010,25(5):699-701.(in Chinese)

Colorful LED backlight FM&diming and color mixing method

YANG Zong-yang1,LIU Bo2,3,4,ZHANG Xiao-bing2,3,4,5,QI Ling-yun2,3,4∗

(1.Aviation Department of General Staff Military Representative Office in Nanjing Military Representative Office,Nanjing 211100,China; 2.AVIC Huadong Photoelectric Company Limited,Wuhu 241002,China; 3.State Special Display Engineering Laboratory,Wuhu 241002,China; 4.National Special Display Engineering Research Center,Wuhu 241002,China; 5.School of Electrical Engineering and Information,Anhui University of Technology, Maanshan 243002,China)

A kind of panel display module source using RGB LED as backlight is introduced in this paper.Frequency diming method is used to adjust backlight brightness.The final standard white light is gained by RGB diming pulse high level mixing color method.And besides,RGB diming pulse high level timing is tuned according to data from color sensor.Using the method,backlight brightness, color varies and coordinates drifts caused by temperature varies can be effectively improved.

backlight of LED;mixing colors;diming

TN141.9

10.3788/YJYXS20153005.0872

1007-2780(2015)05-0872-05

杨宗阳(1982－),男,河南原阳人,硕士,主要从事航空电子方面的工作。E-mail:624336619＠qq.com

章小兵(1972－),男,安徽马鞍山人,教授,主要从事电路设计方面的工作。E-mail:jksq66＠163.com

刘波(1979－),男,安徽五河人,副研究员,主要从事研发管理方面的工作。E-mail:liubo1220＠gmail.com

祁凌云(1987－),女,山东高唐人,硕士,主要从事“六性”设计方面的工作。E-mail:qilingyun0625＠163.com

2014-07-14;

:2014-11-17.

∗通信联系人,E-mail:qilingyun0625＠163.com