一種新型HDR電視背光控制技術(shù)的研究

龔強(qiáng)

摘要：本文主要針對一種新型HDR電視背光的控制技術(shù)展開了研究，闡述了HDR顯示屏對峰值照度的新要求，并對如何提升顯示屏的對比度作了系統(tǒng)的分析，以期能為有關(guān)方面的需要提供有益的參考和借鑒。

關(guān)鍵詞：HDR；電視背光；控制技術(shù)

0引言

隨著HDR顯示屏的推出后，逐漸取代了FHD以及普通4K屏，在消費(fèi)者中得到了青睞。而HDR屏作為一種新型的顯示屏，在開發(fā)的過程中仍然存在著一個(gè)電力系統(tǒng)的問題，需要我們及時(shí)進(jìn)行研究，采取一種新的電視背光控制技術(shù)來解決這個(gè)問題。基于此，本文就一種新型HDR電視背光的控制技術(shù)進(jìn)行了探討，相信對有關(guān)方面的需要能有一定的幫助。

1 HDR顯示屏對峰值照度的新要求

現(xiàn)實(shí)中，如今HDR顯示屏的制造商會(huì)把峰值亮度定在約為800-1000尼特，雖然提升了對極深顏色的渲染，但也降低了最亮顏色的生動(dòng)性。

如果只依靠數(shù)字PWM控制是無法解決這一問題的：

PWM控制的MOSFET有特定的最小占空比，這具體取決于關(guān)斷延遲和下降時(shí)間。而關(guān)斷延遲和下降時(shí)間是電力設(shè)備中的硅的基本屬性，這些屬性會(huì)阻止PWM控制器將亮度調(diào)到峰值輸出的0.1%以下。

2局部調(diào)光如何幫助提升顯示屏的對比度

顯示屏背光照明的方式會(huì)影響到對比度和調(diào)光布置。如今家庭中使用的大部分帶LED背光的電視都屬于側(cè)光式，采用全局動(dòng)態(tài)調(diào)光。也就是說如果圖像大部分都較為明亮，那么整個(gè)顯示屏的背光就會(huì)以全功率或接近全功率運(yùn)作，如果圖像大部分都較暗，那么整個(gè)顯示屏的背光就會(huì)調(diào)到較低水平。因此，全局動(dòng)態(tài)調(diào)光不適合HDR顯示屏，尤其是因?yàn)樗谔幚硇枰瑫r(shí)顯示明暗部分的圖像時(shí)效果很差。

這意味著HDR技術(shù)需要帶局部調(diào)光的直下式背燈照明，這種結(jié)構(gòu)要求更多的LED、更多LED通道和更為復(fù)雜的LED驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，當(dāng)然價(jià)格也更為昂貴。但是，如果將顯示屏的背光照明系統(tǒng)分成一個(gè)個(gè)區(qū)域（如今的47寸直下式背光照明電視通常分為16到256個(gè)區(qū)域），那么每個(gè)區(qū)域的背光亮度就可以與其所顯示的圖像部分的內(nèi)容準(zhǔn)確匹配。這樣，深暗藍(lán)色就可以與亮白色同時(shí)顯示，同時(shí)也不會(huì)因?yàn)閷D像較暗部分進(jìn)行背光照明而浪費(fèi)電力。

局部調(diào)光方法需要LED驅(qū)動(dòng)器與視頻或圖形處理器（GPU）同步。如果設(shè)備之間的接口允許，則背光驅(qū)動(dòng)器可以直接由GPU控制。

通過采用艾邁斯半導(dǎo)體的AS3824LED背光燈控制器可實(shí)現(xiàn)局部調(diào)光。圖1顯示了垂直同步信號（VSYNC——艾邁斯半導(dǎo)體LED控制器的一項(xiàng)專利功能）可以用于標(biāo)記每個(gè)新建幀的開始，從而為背光燈控制器提供一個(gè)同步輸入。圖中，幀1在區(qū)域1中圖片較亮，因此需要非常高的PWM占空比，而在區(qū)域n中渲染的是圖像較暗的部分，所以占空比較低。而在幀2中，新的視頻內(nèi)容意味著須更換這兩個(gè)區(qū)域的亮度。在幀1過程中GPU會(huì)發(fā)送指令為區(qū)域1和區(qū)域n提供新的PWM占空比，而這兩個(gè)區(qū)域的信號在幀2的上升沿進(jìn)行刷新。

圖2顯示了VSYNC上升/下降沿與PWM信號的上升沿之間的延時(shí)。這一延遲可在AS3824控制器中設(shè)置：這就讓顯示屏制造商能夠根據(jù)LCD像素的打開時(shí)間進(jìn)行延遲補(bǔ)償，使控制器能準(zhǔn)確地在像素打開時(shí)點(diǎn)亮LED，這樣就可以提高圖像質(zhì)量，并將功耗降到最低。延遲打開PWM還可以降低LED電源的負(fù)荷，減少系統(tǒng)所產(chǎn)生的噪音和干擾。

3模擬調(diào)光：一種增強(qiáng)峰值亮度的方法

諸如AS3824這樣的多通道LED控制器可以對16個(gè)通道進(jìn)行單獨(dú)控制，從而實(shí)現(xiàn)屏幕各區(qū)域的精細(xì)調(diào)光。通過菊花鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)最多可以將32個(gè)AS3824IC經(jīng)由各自的SPI接口連接到一起，從而控制帶有16個(gè)區(qū)域以上的顯示屏（見圖2）。

但HDR顯示屏制造商仍就面臨著對比度的問題。他們?nèi)绾渭缺Ａ翡秩痉浅０档念伾哪芰τ帜軌驅(qū)⒎逯盗炼忍嵘?000尼特以上呢？答案就是AS3824控制器IC中引入的一種專利創(chuàng)新：一種增強(qiáng)PWM控制電流的模擬方法。它最多能夠?qū)WM信號所控制的電流增強(qiáng)到基礎(chǔ)水平的8倍，從而更好地對圖像最亮的部分進(jìn)行照明。同時(shí)，處理最暗部分的通道可以只使用基礎(chǔ)模擬LED電流的10%，PWM占空比也最小，可能只有0.1%。換言之，調(diào)光方案中數(shù)字PWM的動(dòng)態(tài)范圍保持不變，而額外的模擬部分則拓寬了整體（模擬+數(shù)字）動(dòng)態(tài)范圍（見圖3）。

這一額外的模擬調(diào)光通過集成在AS3824中的DAC實(shí)現(xiàn)。根據(jù)顯示屏視頻處理器或GPU提供的數(shù)字輸入信號DAC會(huì)提供一個(gè)基準(zhǔn)電壓。該基準(zhǔn)電壓放大后用于控制為通道上的LED供電的FET電流的幅度。實(shí)際上，模擬電流控制是一種以同步脈沖寬度調(diào)制和脈沖幅度調(diào)制為基礎(chǔ)的電源方案。

AS3824可以用于驅(qū)動(dòng)額定電流較高的FET或BJT。外部開關(guān)電源的輸出電壓一定要與其所連接的LED串的電壓要求相匹配。過大的FET供電電壓余度會(huì)導(dǎo)致功率損耗并降低系統(tǒng)效率。

通過調(diào)節(jié)經(jīng)R1流至其反饋（FB）引腳的電流，AS3824的DC-DC反饋功能可與任意類型的DC-DC轉(zhuǎn)換器（升壓或降壓）以及其它諸如LLC控制器之類的轉(zhuǎn)換器相配合來調(diào)節(jié)FET的供電電壓。反饋功能的控制可通過SPI進(jìn)行設(shè)置。在手動(dòng)反饋模式下，SMPS的輸出電壓可以直接通過AS3824進(jìn)行調(diào)節(jié)。換言之，AS3824始終對SMPS的輸出電壓進(jìn)行完全的控制，因此能夠?qū)⑾到y(tǒng)功率損失降到最低。

4精密的電源控制帶來更高的對比度

使用AS3824控制器來控制LED背光照明不僅可以實(shí)現(xiàn)對直下式背光顯示屏的精細(xì)、多通道控制，而且其帶來的模擬+數(shù)字調(diào)光范圍是傳統(tǒng)的僅使用數(shù)字PWM調(diào)光的LED背光控制器的數(shù)倍。這樣能大幅提高對比度，從而允許對顯示屏一些區(qū)域中最亮的白色進(jìn)行再現(xiàn)，同時(shí)還能渲染另一些區(qū)域深暗的藍(lán)色和灰色，最終帶來的觀看體驗(yàn)要遠(yuǎn)勝于如今的FHD和普通4k電視和顯示屏。

16通道的AS3824是AS382x系列LED背光控制器的最新成員，專門用于HDR顯示屏。該系列中的其它產(chǎn)品有16通道的AS3820、12通道的AS3821、8通道的AS3822和6通道的AS3823。

5小結(jié)

綜上所述，HDR顯示屏相對FHD及普通4K屏來說，有著極大的高清進(jìn)步，但是在開發(fā)過程中仍然存在著一定的問題，需要我們及時(shí)進(jìn)行研究，以采取有效的技術(shù)手段進(jìn)行處理解決。本文通過對一種新型HDR電視背光的控制技術(shù)進(jìn)行探討，為HDR顯示屏解決開發(fā)的問題提供了極大清進(jìn)步，但是在開發(fā)過程中仍然存在著一定的問題，需要我們及時(shí)進(jìn)行研究，以采取有效的技術(shù)手段進(jìn)行處理解決。本文通過對一種新型HDR電視背光的控制技術(shù)進(jìn)行探討，為HDR顯示屏解決開發(fā)的問題提供了極大的幫助。