Local dimming高亮节能恒流控制算法的研究与应用

杨文祥 胡向峰 盘桥富 周建华 熊品

摘要：介绍了local dimming（区域调光）技术对LED 背光亮度及整机功率的影响，通过实验数据分析了PWM（脉冲宽度调制）调光控制方式和DC（直流）调光控制方式引起的亮度变化、功率损耗、器件温升等问题，并结合实际案例给出了具体的改善对策。通过实验及大批量的生产验证表明，提出的具有创新性的恒流动态幅值控制算法对LED 背光亮度、整机能效、器件温升等都有极大改善，对local dimming 恒流控制方案的设计具有重要的借鉴和参考意义。

关键词：local dimming；动态幅值；控制算法；节能

中图分类号：TN873.93 文献标识码：A

0 引言

目前，LED 电视采用的控制背光灯条电流的调光方式有两种，即直流（direct current，DC）调光方式和脉冲宽度调制（pulse width modulation，PWM）调光方式[1]。DC 调光方式为固定电流占空比，通过调整各分区灯珠所需电流幅值来改变灯条电流大小。在local dimming（区域调光）功能开启后的动态画面下，由于各通道的电流幅值不同，使得各灯珠所需的电压不同，灯珠共阳连接，灯条电压会以最大电流幅值分区所需的电压提供，低电流幅值分区的差值电压就会全落在恒流驱动集成电路（integrated circuit，IC） 上， 会使恒流驱动IC 温度偏高，因此一般较少使用。PWM 调光技术为固定电流幅值，通过调整占空比（0 ～ 100%）实现灯条电流有效值调整，从而改变背光亮度。因此，PWM 调光技术使得灯条所需电压一直维持在较高状态，在占空比较低时，电流有效值小，而灯条电压较高，故功耗较高，目前普遍采用此种调光方式。鉴于此，本文提出了一种local dimming 高亮节能恒流控制算法，能够解决DC 调光方式和PWM调光方式存在的问题，既实现画面的高亮显示，又降低背光的功耗[2]，绿色节能。

1 传统恒流控制算法介绍

目前，LED 背光电视大都采用传统的PWM 控制技术[3] 或者DC 控制技术。PWM 调光方式的电流波形如图1 所示，当PWM 调光时，灯条电流幅值（Im）保持不变，通过调整占空比（Duty）改变灯条电流的有效值（Iav）实现背光亮度的变化。即Iav=Im×Duty，其中占空比Duty=Ton/T（T 为控制周期，Ton 为开通时间），由于该调光方式固定电流幅值（Im），使得灯条电压一直不变（维持在较高水平），在LED 所需较低占空比时（Ton 较小时）功耗较大，灯珠发光效率低。

DC 调光方式的电流波形如图2 所示，DC 调光时各分区电流占空比维持在Ton=100%，通过改变各分区电流幅值（Im）控制电流有效值（Iav）。该方式虽然功耗相比PWM 有所降低，但在localdimming 开启时，LED 灯条所需的电压会按最大电流幅值的通道提供，其他低电流幅值通道的LED灯条不需要这么大的电压时，差值电压就会全压在恒流驱动IC 上，使得恒流驱动IC 温度升高。

2 新型恒流控制算法原理

PWM 调光控制方式低占空比时整机能耗较高，亮度偏低，而DC 调光控制方式则容易导致恒流驱动IC 温度偏高。因此，针对PWM 调光控制方式和DC 调光控制方式各自存在的技术缺陷进行改进，并结合两者的优点，提出一种local dimming 动态幅值恒流控制算法。

2.1 原理分析

恒流微程序控制器（microprogrammed controlunit，MCU） 接收到系统芯片（system on a chip，SOC）端发送的背光控制信号与分离的亮度数据后，根据是否开关高动态范围拓展（high dynamic range，HDR）功能，计算当前帧数据大小以及所需控制的电流幅值，调整驱动IC 电流寄存器参数，完成灯条电流幅值及亮度数据刷新。流程如图3 所示。

HDR 模式关闭，主板SOC 发送背光亮度数据串行外设接口（serial peripheral interface，SPI）给恒流板MCU 時，同步发送HDR 开关控制信号，恒流MCU 识别到HDR 关闭信号后，不处理主板SPI 信号，恒流MCU 控制灯条电流按初始设定值I0 设置。

HDR 模式开启，主板SOC 发送背光亮度数据SPI 给恒流板MCU 时，同步发送HDR 开关控制信号，恒流MCU 识别到HDR 开启信号后，计算当前背光亮度数据SPI 总值S=DATA（1） + DATA（2） +…+DATA（ N-1）+DATA（N）， 并 与 设 定的背光亮度数据SPI 总值Si = DATAi（1）+DATAi（2）+… +DATAi（N-1）+DATAi（N）进行比较，其中DATA（N）、DATAi（N）表示各分区背光亮度数据。若背光亮度数据SPI 总值S 大于等于设定背光亮度数据SPI 总值Si，恒流MCU 控制灯条电流幅值为初始设定电流值I0；若背光亮度数据SPI 总值S 小于设定背光亮度数据SPI 总值Si，恒流MCU控制灯条灯条电流幅值为I=I0×（Si/S）。实时刷新灯条电流幅值，确保灯条电流占空比维持在较大值，保证灯条电压尽可能低，可降低电视机的背光功率，提升背光亮度，达到高亮节能的效果。优化后的调光方式电流波形如图4 所示。

2.2 验证结果

2.2.1 测试条件

针对本文所提出的高亮节能恒流控制算法，选取如下规格产品（表1）进行测试和实验验证。测试仪器包括数字功率计、数字万用表、色彩分析仪CA-410。

2.2.2 测试数据

（1）算法优化前后电流幅值及占空比曲线。优化前的PWM 调光控制技术固定灯条电流幅值为120 mA，测试画面窗口在1% ～ 100% 切换时，通过改变各通道电流占空比实现电流有效值调节和整机背光功率限制，灯条电流幅值变化情况如图5a中虚线所示，灯条电流占空比变化情况如图5a 中实线所示。PWM 调光方式中灯条电压也与灯条电流幅值基本一致，占空比变化时灯条电压基本不变，维持在较高值。

优化后的高亮节能恒流控制算法为灯条电流按照PWM+DC 结合的调光方式控制，将灯条电流占空比维持在较大或100% 状态，根据功率限制实时计算当前帧画面下的亮度数据总值来动态调节灯条电流幅值。测试画面窗口在1% ～ 100% 切换时，灯条电流幅值变化趋势如图5b 中虚线所示，灯条电流占空比变化情况如图5b 中实线所示，灯条电压也随灯条电流幅值变化而变化。

（2）算法优化前后亮度及功率曲线。优化前后两种调光方式在1% ～ 100% 画面窗口下亮度测试情况对比如图6a 所示（实线为优化前，虚线为优化后），亮度曲线基本保持一致，且优化后亮度高于优化前亮度。

优化前后两种调光方式在1% ～ 100% 画面窗口下功率测试情况对比如图6b 所示（实线为优化前，虚线为优化后），在1% ～ 30% 画面窗口下功率基本保持一致，因为在此画面窗口下，优化算法前后两种调光方式的灯条电流幅值均为120 mA，占空比为100%，所以功率基本相同。原调光方式在30% ～ 100% 画面窗口切换时，灯条电流幅值保持120 mA 不变，改变电流占空比为50% ～ 100%，此状态灯条电壓保持不变且较高，故功率偏大。优化后调光方式在30% ～ 100% 画面窗口切换时，灯条电流占空比保持100% 不变，改变灯条电流幅值为60 ～ 120 mA，此状态灯条电压也随灯条电流幅值变化而变化，因此电压降低后，背光功率也会有所降低。

（3）电流幅值及占空比变化对功率和亮度的影响。通过改变灯条电流幅值和占空比，保证在电流有效值相同的情况下，测试不同灯条电流幅值下灯条背光功率及背光亮度随电流幅值及占空比的变化情况。

通过图7 和表2 测试数据对比结果可知，在灯条电流有效值相同的情况下，灯条电流占空比越大，灯条电流幅值越低，灯条的亮度就越高，背光功率就越低；而灯条电流幅值越高，灯条电流占空比越小，灯条的功率就越高，背光亮度就越低。灯条的供电电压是随着灯条电流幅值变化的，灯条电流幅值越高，灯条电压就越高；灯条电流幅值越低，灯条电压就越低。背光亮度与电流的占空比相关，在电流有效值相同的情况下，灯条电流的占空比越高，背光亮度就越高；灯条电流的占空比越低，背光亮度就越低。利用电流幅值与背光功率的关系，以及电流占空比与背光亮度的关系，可以达到既不增加背光功率又能提高背光亮度的效果。本文所采用的local dimming 恒流控制算法即按照此种方式进行背光灯条电流幅值的调节，尽量保证灯条电流的占空比维持在较大值，降低灯条电流幅值，使得灯条电流在有效值相同的情况下实现灯条的电压更低、亮度更高，这样在保证高亮度的同时也降低了背光功率，达到高亮节能的效果。

3 结论

本文详细分析local dimming 显示中传统的PWM调光方式和DC 调光方式各自存在的问题和缺陷，并提出了一种全新的恒流动态幅值控制算法，该控制算法根据实时计算每一帧画面下的背光数据大小，动态控制灯条电流幅值，使灯条电流的占空比始终保持在较大值，在降低背光功率的同时，保证背光亮度没有较多损失，提高LED 灯的发光效率，达到高亮节能的效果，既实现了画面的高亮显示，又降低了整机功耗，绿色节能。因此，本文提出的恒流动态幅值控制算法具有很强的实用性和广泛的应用前景。

参考文献

[1] 温德尔. LED 驱动电路设计[M]. 谢云祥，王小刚，译. 北京：人民邮电出版社，2009：74.

[2] 吴琦. 液晶电视LED 背光模组及区域调光控制技术浅析[J]. 山西电子技术，2012（4）：78-79.

[3] 王兆安，黄俊. 电力电子技术[M]. 4 版. 北京：机械工业出版社，2000：613.