如何采用PWM调光技术来提高LED屏幕的画质

视讯广告板、超大屏幕等需要电源供应、视讯编码器、译码器、线路驱动器、数字信号处理器（DSP）等大量小型子系统共同运作，才能提供视讯影像，却鲜少人洞悉显示系统中发光二极管（LED）驱动器的功能。

如果仔细观看视讯屏幕，会发现其中有数百个视讯面板，再更靠近一点，会发现各个面板有纵横各十六条画素，每个画素由三个LED所组成，分别是红色、绿色、蓝色。各个LED的阳极都连接到LED驱动器的输出，这些成千上万的LED驱动器透过数十万个LED控制正向电流，才产生出视讯影像。

电子设计人员的挑战在于如何使用LED驱动器有效控制LED电流，大多数高阶LED驱动器能藉由多种方法控制系统中的电流，许多驱动器具有可调整LED亮度的功能，例如点修正（DC）、脉冲宽度调变（PWM）调光及全局亮度控制（BC）。虽然这些功能可发挥相同的基本效用，也就是调整LED亮度，不过各自原有的用途皆不相同，只有了解如何适当使用这些功能，才能提供最佳画质的视讯。

模拟/PWM调光　降低LED亮度

了解LED驱动器的进阶功能之前，必须先了解两种降低LED亮度的方法，分别是模拟调光和PWM调光。模拟调光是指改变通过LED的正向电流，若以一半的电流驱动LED，其亮度也随之减半。虽然无法确实达到1：1的比例，LED亮度和正向电流大致呈现线性关系。

PWM调光是指藉由开启及关闭电流，以变更电流的脉冲宽度，而非振幅。LED亮度可透过开启LED的时间百分比或负载周期加以控制。肉眼只能感受到大约60Hz以下的频率响应，若以高于60Hz的速率开启及关闭LED，肉眼只能感受到平均的LED亮度。大部分的显示器都采用100Hz以上的PWM调光。对于固定PWM调光频率，负载周期减少会导致LED亮度降低。图1显示将20毫安（mA）LED调光至25%亮度时，模拟调光及PWM调光两者的比较，这两个LED的亮度都相同。

图1 模拟调光与PWM调光

点修正改变发光强度/频谱

LED制造处理容差相当不易控制，对于高质量显示器而言，两个主要的LED特性是发光强度和频谱纯度。不过，不同LED所呈现的特性差异极大，即使是相同的LED制造批次也是如此。在理想的情况下，处理器运用LED驱动器以相同电流开启所有红色LED时，可达到相同的亮度。然而事实上，以相同电流驱动LED，亮度会有极大的差异。市面上一般的LED零件以相同的正向电流驱动时，会呈现2：1的亮度差异。

如果不处理如此差异，LED面板会有极不佳的画素间亮度匹配，而点修正可有效处理发光强度的差异。点修正是指将LED显示器中各画素或点的密度加以修正或正常化。调整通过个别LED的模拟电流即可达到如此的效果。面板制造完成后，必须在原厂进行第一次点修正。测试设备可测量LED密度，并产生设定于IC之上的点修正系数，以调整LED亮度。

一般LED驱动器可针对单一电阻的各个输出设定LED电流上限。点修正使用模拟调光，将电流调整为电流上限的百分比程度。点修正所调整的位计数愈多，最终的LED亮度愈一致。6位点修正可提供从0毫安到Rset电阻定义电流上限的六十四种不同电流层级，能逐步以1.59%的比例调整正向电流;7位点修正能逐步以0.79%的比例调整正向电流。图2显示量产面板经过点修正前后的亮度。

图2 点修正前后的LED亮度

进行点修正前，所有LED都有相同的正向电流，因此造成2：1的亮度差异。进行点修正后，LED驱动器能以不同的电流驱动所有LED，使LED达到相同的亮度。值得注意的是，点修正必须能将亮度调整为低于面板中最暗LED的值。在许多面板合并为大型显示器的生产环境中，必须将所有LED的亮度设定为等于或低于系统中最暗LED的亮度，因此LED的数据表应该提供指定的亮度范围下限。

点修正也可用来调整整个显示器的亮度。在正午阳光充足的户外可使用全亮度，不过相同的亮度对于夜间或室内就显得亮度过高。将所有点修正值降低至先前值的百分比程度，也可降低整体面板亮度。如果系统使用点修正的IC，但不运用点修正功能，则将所有点修正值设定为上限值的一半，即可达到50%的亮度。对于经过7位点修正的LED驱动器，将所有点修正值从一百二十七降低至六十三，即可达到50%的亮度。以下等式可设定使用点修正时LED的正向电流：

其中Imax是Rset设定的输出电流上限，DCx是输出x的点修正值，n是点修正的位数。对于以上范例，Imax等于40毫安，DC等于六十三，所有LED电流即设定为40毫安×63/127=19.84毫安。

如果系统已使用点修正功能达到一致的面板亮度，仍可使用点修正进行调光。将点修正值设定为原始值的一半，可达到50%的调光效果。以7位点修正LED驱动器为例，如果LED需要一百零八的点修正值，将电流设定为一致面板亮度所需的正确值，则将新的点修正值设定为54，即可调整为50%的亮度。

使用点修正调光点修正面板亮度的缺点是，亮度匹配的可用位有效数目会减少。

亮度控制精准匹配亮度

为了维持确实的亮度匹配，同时达到整体面板的调光，高阶LED驱动器提供BC的个别缓存器，以达到整体面板调光之外的个别点修正效用。和点修正一样，亮度控制也是透过模拟调光进行。这两者的差异在于，点修正可调整个别的LED，而亮度控制可同时调整多个LED。点修正及亮度控制缓存器的数目及配置均与IC有关。

举例来说，驱动八颗LED为一组的三个LED组所用的二十四信道LED驱动器包含二十四个点修正缓存器（每一个各用于个别 LED），其中包含三个亮度控制缓存器，每一个各用于个别LED组。另外还有十六个输出LED驱动器可驱动十六个相同色彩的LED，其中包含十六个内部点修正缓存器，并包含一个亮度控制器缓存器，可同时调整所有十六个输出。区别点修正及亮度控制的功能有助于精准控制LED亮度匹配，同时可进行整体面板的调光。在包含点修正及亮度控制的IC中，LED电流是由两种缓存器的值共同定义： 其中Imax是Rset设定的输出电流上限，DCx是输出x的点修正值，n是点修正的位数，BC是全局亮度值，m是亮度修正的位数。

PWM调光以低亮度维持色彩

精准亮度控制只是高画质视讯中的一个环节，第二个环节是正确的色彩匹配。旧款显示器使用模拟调光来设定色彩混合的LED亮度，对于色彩质量有负面的影响。图3显示正向电流的变化和LED色彩变化间的关系。图3的真实绿色LED针对此一特定LED定义全亮度（20毫安）的色彩。若要使用模拟调光达到25%的亮度，需要5毫安的正向电流。这使得色谱从525奈米（nm）变成531奈米，对于须要呈现真实色彩的显示器而言，这是无法接受的程度。

图3 数据源：Osram「InGaN LED 调光」色彩变化与正向电流的关系

PWM调光又可以称作灰阶PWM调光，可消除LED调光有关的色彩变化。这类调光能以呈现高画质视讯所需的低亮度，维持正确的LED色彩。不论LED的亮度为何，PWM调光都能使通过LED的电流保持一致，以消除LED色彩变化。彩色显示器的各个画素是由三个LED所组成，分别为红色、绿色、蓝色。藉由同时进行红色、绿色及蓝色LED的脉冲与混合，画素便能呈现多达六百八十七亿种色彩。以下范例将说明PWM调光。

为求简单明了，此范例仅使用PWM调光的三个位。3个位等于23=8个阴影色度，因此各个LED可设定为0～7PWM灰阶程度。各个视讯框开始时，所有LED均全部熄灭。在第一个PWM频率的上升边缘，所有LED都会亮起，只有以0灰阶值设定的LED未亮起。各个PWM频率周期开始时，IC便会增加灰阶计数器。各个LED会持续亮起，直到PWM灰阶计数器超过LED设定的PWM值为止。

图4 各个LED亮起以呈现橘色画素的时间长度

图4显示此一程序，其中呈现简化的3位PWM调光控制器的波形及区块示意图（图5）。将红色、绿色及蓝色LED的灰阶值分别设定为七、四及一，可在画面上呈现橘色画素。设定为四灰阶值的绿色LED会在第一个PWM频率周期的上升边缘亮起，并且经过四个完整PWM频率周期持续亮起。这个3位PWM调光范例能针对各画素产生五百一十二（23×23×23）种色彩。对于16位LED驱动器，则可产生两百八十一兆（216×216×216）种色彩。

图5 显示3位PWM调光如何产生橘色画素的区块示意图

适当搭配使用点修正、亮度控制及PWM调光，大屏幕上的影像更加完美无暇。如此完美的设计，使群众对于大屏幕播放的影像产生响应，而对于为了达到画素间亮度匹配、使显示器亮度配合环境光线条件、混合色彩以呈现完美影像等方面的关注与努力，则悄然潜藏在光彩夺目的荧光幕后。
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