三维液晶电视的LED驱动器解决方案

 三维液晶电视在LED驱动器IC的电流精度，峰值电流范围，通道数，时序速度和精度方面要求极高。本文解释了这些问题，并指出了解决这些问题的一些战略方法。

三维视频是电视行业中最热门的新技术。对于领先的电视品牌来说，它代表了他们保持利润和市场领导地位的最重要策略，因为创造出色的3D观看体验需要高度先进的技术和复杂的图像处理 - 他们擅长的领域。

3D电视设计的一个挑战因素是驱动背光LED串的电源电路。这些设备需要在非常短的时间内精确切换，但(对于3D观察)需要相对较高的峰值电流。另外，为了在屏幕上实现一致的亮度，必须非常精确地调节所提供的电流量。以前在任何应用中都不需要如此苛刻的精度，电流能力和时序组合，因此出现了专门为3D电视设计的新一代LED驱动器。

为了正确评估背光LED驱动器IC的规格，有助于了解影响3D电视操作的主要因素。

面向3D电视设计师的制约因素

在3D市场中，LCD与等离子之间的竞争只会成为一个赢家。虽然等离子体比LCD更快，但政府在欧洲和美国发起的监管意味着高效的LCD技术 - 等离子体消耗的能量是传统LCD的两倍，而LED背光可以进一步提高LCD效率 - 是唯一可行的选择。美国的EnergyStar®标准4.0版电视规范于2010年5月1日生效，为行业提供了严格的电力预算。计划于2012年5月推出的5.0版本进一步削减了最大允许的“开启”功率(见表1)。

表1：能源之星®“开启”各种屏幕尺寸的功率要求。

LED背光正在被广泛采用。据预测，到2012年，由于其提供的卓越性能，70%的液晶电视将使用LED背光而不是冷阴极荧光灯。

特别是，LED背光提供了改善的色域和饱和度，非常短的开/关切换时间(《100 ns)，100，000小时的使用寿命，并且它们实现了紧凑的薄面板设计。

有两种实现LED背光的方法(见图1)：

在间接背光照明中，LED排列在边缘，并配有光导，使光线均匀分布在LCD。这种布置可以在屏幕尺寸高达40英寸的情况下实现良好的光学均匀性，并且可以实现厚度仅为5到10毫米的背光单元。

在直接背光系统中，LED直接位于LCD后面，实现低功耗，良好的散热设计和出色的可扩展性，几乎不限制屏幕尺寸。面板可以制成10至25毫米厚。一个关键优势是直接背光可以实现局部调光，从而提高功耗和动态对比度。

图1：LED背光技术。

制作3D效果

对于3D立体可视化，眼镜用于实现右眼和左眼的右透视图和左透视图的时间复用。已经很清楚，由于具有卓越的3D分辨率和出色的2D图像质量，快门眼镜类型的眼镜将战胜偏光眼镜的竞争技术。偏光眼镜的使用降低了2D使用中的图像质量，并且在很长一段时间内，由于3D编程的稀缺性，大多数3D集合的观看将处于2D模式。

快门眼镜操作的挑战是避免串扰和闪烁(见图2)。由于3D模式下的时间复用，需要将显示速率从120Hz有效加倍到240Hz以避免闪烁问题。对于高端市场电视，预计图像速率甚至会增加到480 Hz。

Crosstalk是左图像通道泄漏到右眼视图中，反之亦然。串扰的感知是所谓的“鬼影”，其中阴影图像是可见的。避免串扰需要LCD，LED背光和快门眼镜的极其精确的同步。

图2：由串扰引起的重影伪像需要极其精确的同步LCD，LED背光和快门眼镜。

液晶快门(LCS)眼镜有两个必须考虑的问题(见表2)。首先，它们需要大量时间在透明和非透明状态之间切换：开启至关闭时的响应时间为0.1 ms，而接近开启时的响应时间为1.8 ms。其次，开放模式的透明度有限，导致亮度显着降低。

表2：快门玻璃规格示例。

为避免由开关闭合切换持续时间引起的串扰，在转换期间插入空白帧(参见图3)。

图3：3D电视的黑帧插入(BFI)时序。

除了快门眼镜的限制外，还必须考虑LCD的响应时间。新电视机的最佳值为2毫秒，假设帧周期为4.1毫秒的240赫兹图像速率，背光的“开启”时间小于2毫秒。

然后，这定义了电源电路设计人员面临的任务范围。在3D模式下，必须在非常短的时间内施加高LED电流，并且非常精确地控制时序。

高峰值电流

由于低占空比和快门眼镜的透明度有限，因此需要高LED峰值电流才能在3D模式下产生足够的亮度。 3D模式下的峰值电流显着高于2D模式(见表3)。

表3：峰值LED在2D和3D模式下驱动电流。

高电流精度

高质量电视必须在整个屏幕区域保持均匀的感知亮度。在LED背光系统中，这意味着LED驱动器的精度必须为±1.5%。该精度预算必须包括LED驱动器设备本身和外部电流设置电阻器引入的所有偏差。更重要的是，必须在整个2D和3D电流范围内实现这种最低精度 - 这个范围几乎是仅2D设计的五倍。

为了实现此功能，奥地利微电子的设备实现了一种架构，该架构使用一个高精度DAC在2D模式和3D模式下以相同的精度设置电流。这避免了对复杂校正方案的需要，例如依赖于模式的校正查找表。

应该说，系统精度±1.5%的值极难达到。为了深入了解有多困难，可以考虑通常使用外部电阻设置参考电流：电阻的精度已经是±1.0%。因此，从系统的角度来看，片上电流吸收精度只有±0.5%的容差。

为了达到±0.5%的绝对电流精度，奥地利微电子的面板照明LED驱动器产品基于经过调整，温度和偏移补偿的高精度电流基准。对于片上通道间匹配，可实现±0.2%的更高精度。

挑战并不是在单个指定电流下达到所需的精度 - 许多普通的驱动器IC已经可以实现这一目标。难以在3D电视的操作条件下实现该准确度值，其中驱动器IC必须支持2D和3D模式的当前范围，在存在高达电视机内部所经历的水平的波动温度的情况下。

定时和通信

对直接背光系统的需求 - 优先于边缘照明系统 - 可能很高，因为它们支持局部调光，这有助于降低能耗。反过来，这需要在每个帧内设置大量LED通道。电视中可以找到多达200个频道，由多个LED驱动芯片驱动，这些芯片必须在一个帧周期内完成配置。

这需要高速菊花链SPI接口将多个LED驱动器连接到SPI主控制器。奥地利微电子公司已经实施了一种特殊的SPI协议，用于将PWM设置数据快速块传输到多个设备，或者为所有设备配置相同的数据，或者为多个字节写入块，以便对链中的每个设备进行单独设置。

SPI接口还可以实现有效实现黑帧插入(BFI)所需的精确时序。必须使用VSYNC和HSYNC输入信号将时序与帧速率同步。然后，这需要与这些信号同步运行的独立PWM发生器，从而能够在帧周期内灵活地编程定时。在该方案下，可以最小化微控制器和LED驱动器芯片组上的定时控制器之间的交互。

奥地利微电子公司实施了专用的影子寄存器，允许在整个VSYNC期间进行SPI数据传输; PWM发生器设置数据的更新时间由VSYNC时序精确设置。这保证了SPI数据传输与时序生成完全解耦，并且SPI时序不会产生依赖性或错误，如果主设备在微控制器上实现，这可能是非常不可预测的。

通过这些影子寄存器，PWM设置还可以在每个VSYNC周期内生成多个脉冲，从而实现更复杂的BFI方案，并使VSYNC的频率加倍。

结论

在LED电视中实现3D模式增加了对LED驱动器IC中电流精度，峰值电流范围，通道数，时序速度和精度的需求。与此同时，能源限制将迫使制造商使用先进的节能方案和智能调光解决方案，用于边缘和直接LED背光。

austriamicrosystems广泛的产品组合支持边缘照明，直接照明，流光溢彩和3D电视。该公司的目标是为客户提供在当前精度，功效和系统支持方面的出色表现，并帮助他们实现出色的LED电视图像质量。奥地利微电子的大型LCD面板背光产品组合包括用于4通道，9通道，12通道和16通道应用的高精度LED驱动器。