改善LCD背光的调光粒度

作者：Michael Bairanzade 安森美半导体低压电源管理部技术专家组资深成员

通过31级调光范围，现有LED驱动器能够提供良好的调光能力，从而为LCD显示屏提供平滑的背光增强或减弱效果。然而， 当终端应用涉及到较大的高端显示屏时，这样一个范围就可能不够了。特别是对于避免突兀的光亮度变化而言，有必要保持非常平滑的启动和关断，否则这种变化在LCD显示屏工作于较暗的环境中时就会被感知为脉冲光。为了消除这种视觉压力，需要更多的调光步骤，提供极低的启动序列。本文将阐述一种将现有LED驱动器从31级调光增加到93级的简单方法。

标准操作

通常来讲，发光二极管(LED)电流通过电流镜结构来监测，这种结构能够对流经LED的直流电流进行精确调节。电流不是由外部微控制器(MCU)就是由LED驱动器的内置逻辑来进行数字控制。对于逻辑电路产生的每一个步骤而言，电流增加(或减少，取决于终端用户选定的方向)，LED的亮度就相应地变化。就这点而言，可以考虑两种光变化方法：要么是纯粹的线性曲线，要么是指数曲线。这两种方法各有其优缺点，但在选择何种曲线之前应该考虑人眼的感受。

从硅设计的角度讲，基本上线性曲线更为容易，但需要更多级(step)才能恰当地处理较小的光变化，特别是LED工作在低电流区域时。同样地，指数曲线集成到硅芯片中会较复杂，但需要的调光级较少，因为曲线的低端部分就能够在低端电流区域提供非常平滑的变化。考虑到人眼对光的反应，两相比较的结果就是指数曲线更适合，因为它会自动补偿人眼对光线感知的对数曲线。图1中的曲线说明了这种原理。

  图1 典型的人眼感光度曲线

应用平滑的调光功能

凭借准指数形式的31级，安森美半导体的NCP5623将用作一个参考来描述高粒度的调光功能。基本上，这芯片含有一个电荷泵，用于产生给LED的足够电压，并含有三个独立的电流镜，用于精确地调节流经LED的直流正向电流。

峰值电流由IREF引脚产生的参考电流乘以2 N来设定，其中指数N是外部MCU所设定的级数：

ILED = [(Vref/R)×2600]/(32-N)

参考电压Vref由NCP5623的内部结构强制设定为600 mV，而电阻R连接Vref引脚和地。恒定系数2600是参考电流源和连接至LED的最后一个电流镜之间产生的内部比例。
此外，31级脉宽调制(PWM)与每个LED都相关，可对每个LED的亮度进行单独控制。基本的工作如图2所示。

          图2 NCP5623的基本工作示意图

假设ILED峰值电流设定为25mA，第一级将使300μA(典型值)电流流经LED，使得零至ILED之间的变化对于人眼来说相对较为突兀，特别是在外界光亮度低的条件下。为了克服这一点，我们可以动态地降低参考电流，使得ILED变化较小：图3中所示的基本原理图阐释了这个业经证明的精确概念。HIGH-I和LOW-I这两位能由MCU结合起来动态地调节新的电流参考，从而产生新的ILED电流提供给LED。当然，如果这两位都是低电平，使参考电流变为零，那么就没有ILED流经LED。

      图3 NCP5623参考电流的动态控制

另一种方法是利用现有PWM技术：将这个功能结合到单个LED中，就可在调光功能期间提供极宽的ILED电流变化。这个概念基于正常设置的ILED峰值电流等于将流至调光序列末端的预计总LED电流的三分之一。3个PWM将设定为串联形式，使工作期间的ILED变化较小。

这样一来的结果就是共有93个调光级，使用相同的准指数曲线来将ILED电流从零增加(或减小)至芯片中设定的最大ILED电流。假设最大ILED电流为15mA，NCP5623将设定为使每个输出电流为5mA，而第一级将使LED电流低于100mA，提供非常平滑的变化，而不会对人眼带来视觉压力。这序列将计算每个PWM的每一级，并启动下一个PWM，以增大流至LED的电流，使得计数器计数完成时产生设定的15 mA电流。图4所示的原理图阐述了应用于NCP5623的这个概念。

晶体管Q1用于补偿调光序列从一个PWM转至下一个PWM时产生的尖锋。基本上，电容C4区分电流镜输入引脚处出现的电压瞬态现象，通过强行施加一个短脉冲至外部电阻R3来降低参考电流IREF。

      图4 高粒度调光功能

            图5 典型的NCP5623增强型渐进调光功能

图5提供的曲线展示NCP5623在这种条件下的表现。它可以产生多达90级，得到平滑的上升过程，这样与人眼的感光度契合得很好。虽然蓝色曲线中有些点呈现出非光滑波形(主要是因为测量等级存在的误差)，但多项式曲线(橙色)在调光级和ILED电流之间产生非常良好的契合关系。
结合图3中所描述的动态IREF控制功能和90级的序列，还有可能进一步提升曲线的平滑度。这里无需其它元件，只是需要软件程序来结合这两项机制。

结语

与动态可设定的参考电源源相关的嵌入式电流镜，使NCP5623能够在最终应用需要非常平滑调光时能处理超过90个调光级。此外，一种简单的软件程序提供180级的调光斜线扩展，使得系统在周围光照亮度极低的环境下能够产生极其平滑的曲线。