- 探究提升屏幕影像畫質的方法
- 采用模擬/PWM調光以降低LED亮度
- 利用PWM調光以低亮度維持色彩
視訊廣告板、超大屏幕等需要電源供應、視訊編碼器、譯碼器、線路驅動器、數字信號處理器(DSP)等大量小型子系統共同運作，才能提供視訊影像，卻鮮少人洞悉顯示系統中發光二極管(LED)驅動器的功能。
如果仔細觀看視訊屏幕，會發現其中有數百個視訊面板，再更靠近一點，會發現各個面板有縱橫各十六條畫素，每個畫素由三個LED所組成，分別是紅色、綠色、 藍色。各個LED的陽極都連接到LED驅動器的輸出，這些成千上萬的LED驅動器透過數十萬個LED控制正向電流，才產生出視訊影像。
電子設計人員的挑戰在于如何使用LED驅動器有效控制LED電流，大多數高階LED驅動器能藉由多種方法控制系統中的電流，許多驅動器具有可調整LED亮 度的功能，例如點修正(DC)、脈沖寬度調變(PWM)調光及全局亮度控制(BC)。雖然這些功能可發揮相同的基本效用，也就是調整LED亮度，不過各自 原有的用途皆不相同，只有了解如何適當使用這些功能，才能提供最佳畫質的視訊。
模擬/PWM調光 降低LED亮度
了解LED驅動器的進階功能之前，必須先了解兩種降低LED亮度的方法，分別是模擬調光和PWM調光。模擬調光是指改變通過LED的正向電流，若以一半的電流驅動LED，其亮度也隨之減半。雖然無法確實達到1：1的比例，LED亮度和正向電流大致呈現線性關系。
PWM調光是指藉由開啟及關閉電流，以變更電流的脈沖寬度，而非振幅。LED亮度可透過開啟LED的時間百分比或負載周期加以控制。肉眼只能感受到大約 60Hz以下的頻率響應，若以高于60Hz的速率開啟及關閉LED，肉眼只能感受到平均的LED亮度。大部分的顯示器都采用100Hz以上的PWM調光。 對于固定PWM調光頻率，負載周期減少會導致LED亮度降低。圖1顯示將20毫安(mA)LED調光至25%亮度時，模擬調光及PWM調光兩者的比較，這 兩個LED的亮度都相同。
圖1 模擬調光與PWM調光
點修正改變發光強度/頻譜
LED制造處理容差相當不易控制，對于高質量顯示器而言，兩個主要的LED特性是發光強度和頻譜純度。不過，不同LED所呈現的特性差異極大，即使是相同 的LED制造批次也是如此。在理想的情況下，處理器運用LED驅動器以相同電流開啟所有紅色LED時，可達到相同的亮度。然而事實上，以相同電流驅動 LED，亮度會有極大的差異。市面上一般的LED零件以相同的正向電流驅動時，會呈現2：1的亮度差異。
如果不處理如此差異，LED面板會有極不佳的畫素間亮度匹配，而點修正可有效處理發光強度的差異。點修正是指將LED顯示器中各畫素或點的密度加以修正或 正常化。調整通過個別LED的模擬電流即可達到如此的效果。面板制造完成后，必須在原廠進行第一次點修正。測試設備可測量LED密度，并產生設定于IC之 上的點修正系數，以調整LED亮度。
一般LED驅動器可針對單一電阻的各個輸出設定LED電流上限。點修正使用模擬調光，將電流調整為電流上限的百分比程度。點修正所調整的位計數愈多，最終 的LED亮度愈一致。6位點修正可提供從0毫安到Rset電阻定義電流上限的六十四種不同電流層級，能逐步以1.59%的比例調整正向電流;7位點修正能 逐步以0.79%的比例調整正向電流。圖2顯示量產面板經過點修正前后的亮度。
圖2 點修正前后的LED亮度
[page]進行點修正前，所有LED都有相同的正向電流，因此造成2：1的亮度差異。進行點修正后，LED驅動器能以不同的電流驅動所有LED，使LED達到相同的 亮度。值得注意的是，點修正必須能將亮度調整為低于面板中最暗LED的值。在許多面板合并為大型顯示器的生產環境中，必須將所有LED的亮度設定為等于或 低于系統中最暗LED的亮度，因此LED的數據表應該提供指定的亮度范圍下限。
點修正也可用來調整整個顯示器的亮度。在正午陽光充足的戶外可使用全亮度，不過相同的亮度對于夜間或室內就顯得亮度過高。將所有點修正值降低至先前值的百 分比程度，也可降低整體面板亮度。如果系統使用點修正的IC，但不運用點修正功能，則將所有點修正值設定為上限值的一半，即可達到50%的亮度。對于經過 7位點修正的LED驅動器，將所有點修正值從一百二十七降低至六十三，即可達到50%的亮度。以下等式可設定使用點修正時LED的正向電流：
其中Imax是Rset設定的輸出電流上限，DCx是輸出x的點修正值，n是點修正的位數。對于以上范例，Imax等于40毫安，DC等于六十三，所有LED電流即設定為40毫安×63/127=19.84毫安。
如果系統已使用點修正功能達到一致的面板亮度，仍可使用點修正進行調光。將點修正值設定為原始值的一半，可達到50%的調光效果。以7位點修正LED驅動 器為例，如果LED需要一百零八的點修正值，將電流設定為一致面板亮度所需的正確值，則將新的點修正值設定為54，即可調整為50%的亮度。
使用點修正調光點修正面板亮度的缺點是，亮度匹配的可用位有效數目會減少。
亮度控制精準匹配亮度
為了維持確實的亮度匹配，同時達到整體面板的調光，高階LED驅動器提供BC的個別緩存器，以達到整體面板調光之外的個別點修正效用。和點修正一樣，亮度 控制也是透過模擬調光進行。這兩者的差異在于，點修正可調整個別的LED，而亮度控制可同時調整多個LED。點修正及亮度控制緩存器的數目及配置均與IC 有關。
舉例來說，驅動八顆LED為一組的三個LED組所用的二十四信道LED驅動器包含二十四個點修正緩存器(每一個各用于個別 LED)，其中包含三個亮度控制緩存器，每一個各用于個別LED組。另外還有十六個輸出LED驅動器可驅動十六個相同色彩的LED，其中包含十六個內部點 修正緩存器，并包含一個亮度控制器緩存器，可同時調整所有十六個輸出。區別點修正及亮度控制的功能有助于精準控制LED亮度匹配，同時可進行整體面板的調 光。在包含點修正及亮度控制的IC中，LED電流是由兩種緩存器的值共同定義： 其中Imax是Rset設定的輸出電流上限，DCx是輸出x的點修正值，n是點修正的位數，BC是全局亮度值，m是亮度修正的位數。
PWM調光以低亮度維持色彩
精準亮度控制只是高畫質視訊中的一個環節，第二個環節是正確的色彩匹配。舊款顯示器使用模擬調光來設定色彩混合的LED亮度，對于色彩質量有負面的影響。 圖3顯示正向電流的變化和LED色彩變化間的關系。圖3的真實綠色LED針對此一特定LED定義全亮度(20毫安)的色彩。若要使用模擬調光達到25%的 亮度，需要5毫安的正向電流。這使得色譜從525奈米(nm)變成531奈米，對于須要呈現真實色彩的顯示器而言，這是無法接受的程度。
圖3 數據源：Osram「InGaN LED 調光」色彩變化與正向電流的關系
PWM調光又可以稱作灰階PWM調光，可消除LED調光有關的色彩變化。這類調光能以呈現高畫質視訊所需的低亮度，維持正確的LED色彩。不論LED的亮 度為何，PWM調光都能使通過LED的電流保持一致，以消除LED色彩變化。彩色顯示器的各個畫素是由三個LED所組成，分別為紅色、綠色、藍色。藉由同 時進行紅色、綠色及藍色LED的脈沖與混合，畫素便能呈現多達六百八十七億種色彩。以下范例將說明PWM調光。
為求簡單明了，此范例僅使用PWM調光的三個位。3個位等于23=8個陰影色度，因此各個LED可設定為0～7PWM灰階程度。各個視訊框開始時，所有 LED均全部熄滅。在第一個PWM頻率的上升邊緣，所有LED都會亮起，只有以0灰階值設定的LED未亮起。各個PWM頻率周期開始時，IC便會增加灰階 計數器。各個LED會持續亮起，直到PWM灰階計數器超過LED設定的PWM值為止。
圖4 各個LED亮起以呈現橘色畫素的時間長度
圖4顯示此一程序，其中呈現簡化的3位PWM調光控制器的波形及區塊示意圖(圖5)。將紅色、綠色及藍色LED的灰階值分別設定為七、四及一，可在畫面上 呈現橘色畫素。設定為四灰階值的綠色LED會在第一個PWM頻率周期的上升邊緣亮起，并且經過四個完整PWM頻率周期持續亮起。這個3位PWM調光范例能 針對各畫素產生五百一十二(23×23×23)種色彩。對于16位LED驅動器，則可產生兩百八十一兆(216×216×216)種色彩。
圖5 顯示3位PWM調光如何產生橘色畫素的區塊示意圖
適當搭配使用點修正、亮度控制及PWM調光，大屏幕上的影像更加完美無暇。如此完美的設計，使群眾對于大屏幕播放的影像產生響應，而對于為了達到畫素間亮度匹配、使顯示器亮度配合環境光線條件、混合色彩以呈現完美影像等方面的關注與努力，則悄然潛藏在光彩奪目的熒光幕后
