Mini LED背光關鍵技術研究與實現

陳培文

（冠捷顯示科技（廈門）有限公司，福建 廈門 361100）

1 LED背光的概述

作為液晶產品中重要配件之一的背光源，LED近年發展很快，不斷有新技術、新產品推出。LED（Lighting Emitting Diode）一般指發光二極管，是一種固態的半導體發光器件。工作原理是以固態的半導體芯片作為發光材料，在正向電壓下，半導體內的載流子發生復合，將過剩的能量釋放出，引起光子發射產生可見光。

在小間距LED基礎上衍生出來的一種新型LED顯示技術Mini LED，也被稱為“百微米級發光二極管”，其中小間距LED是指相鄰燈珠點間距在2.5 mm以下的LED背光源，Mini LED是介于傳統LED和MicroLED之間的背光技術，是傳統LED背光的改進版本，當前行業普遍認為在75～300 μm范圍芯片尺的LED可以稱為Mini LED。

2 Mini LED方案設計及實現

本文介紹一種超高清、高對比度、高亮度的Mini LED背光技術，通過搭配SOC的動態區域調光功能，可實時根據各區域畫面內容，動態調整對應區域背光亮度，同時對液晶畫面圖像進行補償。本文中采用SOC+MCU（單片機）設計方案，搭配32顆32通道高精度LED驅動芯片，實現1024背光區域動態控制，Mini LED顆數為10 000+，亮度峰值可達1 500 nits，可實現媲美OLED的顯示效果[1]。將LED驅動芯片與LED燈集成在同一片燈板上，大大簡化了連接復雜度，降低了產品成本[2]。

2.1 SOC動態區域背光控制

TV SOC集成了動態區域背光控制算法，通過將圖像畫面劃分為二維矩陣顯示區域，并分別統計各個區域的亮度信息，產生相應的區域背光數據。將區域背光數據送至對應的背光區域，并驅動背光LED亮度，可控制各個顯示區域背光亮暗，達到降低背光功耗，提高畫面對比度和顯示效果的目的。基于單片機的local dimming方案由三個部分組成，分別是SOC、單片機和LED驅動芯片，SOC采集圖像信號并通過SPI接口發送資料給單片機，單片機進行資料處理后再通過SPI控制多個LED驅動。

2.2 Mini LED背光燈板

與傳統LED燈相比，Mini LED燈尺寸小，燈板上可集成更多的LED燈，從而實現更多的區域劃分。本文中方案背光燈板采用Mini LED燈作為發光源，整機分區數達1 024區，每個分區集成10顆Mini LED燈，整個燈板Mini LED顆數達10 000+，實現了高對比度、高亮度以及更加細膩的顯示效果[3]。

Mini LED需要LED驅動芯片進行驅動，本文中方案采用了32顆32通道的LED驅動芯片，每顆驅動芯片可驅動32個Mini LED背光區域[4]。為簡化系統設計、減少連線、降低成本，將驅動芯片與Mini LED燈集成在同一塊子燈板上，并通道SPI接口進行背光亮度調節。整個背光由若干子燈板拼接而成[5]。

2.3 單片機背光控制板

SOC只能按順序送出背光區域數據，這與Mini LED燈板的區域映射順序不同，且由于燈板分區數多，數據量大，SOC無法通過SPI直接控制驅動芯片。單片機背光控制板用于接收SOC SPI背光數據，進行背光區域重新映射，并驅動對應背光區域的驅動芯片來控制Mini LED亮度。此外，單片機設置有多路SPI輸出，多路SPI輸出可同時工作，送出背光數據驅動不同的子燈板，以提高數據傳輸速度，增加傳輸吞吐量，使背光系統更加穩定可靠。

2.4 靜態掃描與動態掃描驅動控制的比較

（1）靜態掃描驅動：共用VLED+，將每串LED-連接到驅動芯片的一組輸出（圖1）。優點是控制架構簡單，零件少，1 000區背光灰階表現最佳。缺點是應用于高區數的驅動芯片成本過高。

圖1 靜態掃描驅動

（2）動態掃描驅動：通過開關切換VLED+掃描線，搭配多串LED-，實現矩陣架構（圖2）。優點是在進行高區數應用時，驅動芯片成本相較PM驅動大幅下降。缺點是掃描線越多，每串LED分配到的點亮時間等比減少，需求Peak電流等比增加；因芯片驅動電流增加數倍，會出現芯片過熱問題；不同燈串陰極、陽極相連，在快速切換時會造成互相干擾，影響灰階表現。

圖2 動態掃描驅動

2.5 傳輸協議

為了讓SOC能將背光數據穩定可靠傳輸給單片機，本文中方案制定了SOC與單片機之間的SPI接口傳輸協議，SOC發送給單片機的數據包包括包頭（Header）、命令碼（Cmd）、校驗值（Checksum）、數據（Data#N），背光數據包涵蓋的內容如表1所示。

表1 背光數據包涵蓋的內容

背光數據包的每個區域對應Mini LED燈板的一個區域，背光數據為16比特。背光數據傳送方式是從左到右，從上到下，按順序發送。

3 技術難題及解決方案

3.1 背光分區數多，驅動復雜，連線眾多。

解決方案：傳統LED背光，驅動板和LED燈板相互獨立，有多少區域，就需要多少連線。對于Mini LED背光燈板來說，分區數達1 024區，若仍采用傳統的驅動架構，則其連線就需要1 024根連線。采用驅動芯片與Mini LED燈板集成的架構，則只需SPI接口就可驅動全部背光區域，大大減少了連線，降低產品復雜度，節省了產品成本。

3.2 SPI信號受干擾，背光閃爍、熄滅

解決方案：由于驅動芯片集成于燈板上，導致單片機與驅動芯片之間的連線過長，SPI信號易受干擾，信號質量變差。在燈板上增加接收緩存（Buffer）發送SPI信號以解決此問題（圖3）。

圖3 燈板緩存原理圖

3.3 波長一致性的問題

一般使用化學氣相沉積的方法來生產M i n i LED芯片，但是，由于這個方法存在膜厚均一性的缺陷，反映到到芯片性能上就會導致發光波長一致性出現問題。

改善措施：為了解決這個問題，LED產業通常會運用多次分選技術，一個規格（Bi n）的精度一般是2.5 nm，Mini LED背光技術所用的芯片需要考慮亮度和色度一致性的問題，而且數量龐大，為了滿足這些條件，規格的精度需要控制在1～1.5 nm，不僅需要優化晶圓生長過程、提高芯片的波長一致性，同時對分選精度也提出了更高的要求。在小電流驅動下，芯片自身外量子效率會隨著芯片尺寸的減小而下降。在低電流工作時，Mini LED背光芯片的光電轉換效率會隨之大幅降低，相比之下，藍光芯片的光電轉換效率下降幅度較少，能夠滿足產品的實際應用需求。這也是當下Mini LED背光產品通常都使用藍光LED芯片配合光轉換材料實現白光發射的原因。光轉換材料的選擇以量子點材料為最佳，量子點材料可顯著提升Mini LED背光產品的色域[6]。

4 結束語

本文介紹了SOC + MCU Mini LED背光方案，并組配為75〞樣機，經過測試部測試及確認，亮度為1 600 nits，1024分區色度和亮度一致形成一個整體，色彩艷麗媲美OLED。采用驅動芯片與Mini LED燈板集成架構，可有效降低了成本，成本比同規格FPGA方案低20%以上，達到項目方案目標。■