LED背光分區調光在平板電視中的應用

摘?要：國家發改委和工信部在2016年5月18日發布的《關于實施制造業升級改造重大工程包的通知》中指出，新型平板顯示工程領域是我國的重點發展方向,這體現了國家對顯示屏及相關產業的重視。LED作為背光光源，其功耗低、壽命長的特點，被廣泛應用于戶外顯示、液晶屏、平板電視等。隨著近幾年技術的快速發展，LED 背光分區越來越多地被顯示器、平板電視采用，本文將從LED背光分區調光技術在平板電視中的應用進行詳述，希望通過此文章使大家對背光分區調光電視有所了解。

關鍵詞：LED；分區調光；平板電視

LED，全稱發光二極管，是一種常用的發光器件，通過電子與空穴復合釋放能量發光。近些年來，LED 憑借功耗低、壽命長的優點，不斷在顯示領域發揮著重要作用，本文將主要從 LED 背光分區調光技術定義、特性等內容，對其在平板電視中的應用進行詳細講述。

1 LED背光分區調光技術

1.1 分區調光技術

分區調光技術，即區域調光（Local Dimming），可以獨立地控制指定區域。區域調光控制技術是根據所要顯示的區域圖像內容決定背光亮度或顏色，并對 LCD 控制信號進行調制，在保持圖像亮度的前提下，有效地節省功耗，提高對比度。^[2]

液晶顯示圖像可感知情況可表述為：呈現在人眼中的圖像是屏幕上的圖像內容加背光顯示，通過對背光進行分區調節，可以實現畫面亮處顯示更亮，暗處顯示更暗的效果，一方面可以節省功耗，二是可以提高對比度。

Local Dimming 由兩個部分組成，背光部分和圖像補償部分。通過背光控制實現對比度提升，同時由于一幅畫面過來時，在暗區的燈亮度也會比較暗，這個時候會出現暗場細節不清晰的問題，因此需要進行圖像補償補回暗場細節。

1.2 分區調光技術主要特點

分區調光功耗更低：無分區背光的顯示器就是一整個背光面同時發光；有分區背光則是背光源分成多個區域，每個區域都可以進行獨立的控光。

分區調光對比度更高：亮和暗的區域對比明顯，畫面層次更好。

分區調光峰值亮度高：亮區域的峰值亮度，通過軟件算化控制，可以在不增加功耗的基礎上，大幅增加峰值亮度；這一特點可應用于場景環境光很強，需要提升顯示設備亮度的情況。

1.3 分區調光技術在LED背光上的應用

分區調光技術在液晶顯示上主要應用于側入式和直下式 LED 背光，可提升畫面對比度，提高峰值亮度等。由于側入式 LED 背光搭載分區調光帶來較明顯的缺點即滲光（光暈）現象，當峰值亮度越高，對比度越高，滲光現象越嚴重；當峰值亮度將低，滲光現象越減弱，但對比度也同時降低。而直下式背光方式能較好地改善滲光（光暈）現象，因此，分區調光技術目前主要以直下式背光進行畫質提升。

2 分區調光技術在平板電視中的應用

目前，在平板電視 LED 背光應用中，背光調整技術主要有全局（Global）調光和區域（Local）調光兩種。

Global Dimming 調光是針對整個畫面進行調整，高亮拉升的同時，低亮會同時拉升，背光的功耗也會對應增加；低亮壓低的同時，高亮同時壓低，會影響到圖像的景深顯示效果。

為了解決 Global Dimming 全局背光控制的這些缺點，提升顯示畫面的動態對比度，更好地優化電源的有效功率，降低整機的功耗，在平板電視上對 Local Dimming 技術進行研究及應用。

2.1 分區調光在平板電視上應用的系統架構

圖1 分區調光在平板電視上應用的系統架構

分區調光的控制主要有兩種方式，分別如下。

1）SOC → MCU（百分區級）/FPGA（千分區級及以上）→?驅動模塊?→?背光模塊

該架構分區調光算法可存放在 MCU/FPGA 中，可 自主進行算法設計，且更改調整相對比較方便；帶載能力較強，對分區數大小沒限制；缺點是 SoC(MTK**)/ FRC(6 M**)、MCU/FPGA、驅動模塊的同步處理比較復雜。

2）SoC →?驅動?→?背光模塊

該架構是 SoC 直推驅動，同步及數據處理相對簡單；缺點是分區數越多占用 SoC 資源越多，同時設計產品的差異化減少。

2.2 分區驅動技術應用

隨著 LED 背光分區技術的發展，平板電視上的分區數量已涵蓋幾十分區到上千分區。從產品驅動方面來看，背光方案設計遵循“低分區少 IC，高分區多 IC”的原則，同一方案有不同的 IC 設計選擇，其主要取決于系統可制造性、功耗、成本等。

Mini-LED 技術的發展推動了驅動技術發展，該顯示技術主要分為兩大類，一類是直接將 Mini LED 通過無源矩陣 (PM) 驅動或有源矩陣 (AM) 驅動，是最接近 Micro LED 的顯示技術，尚有多項技術問題未攻克 , 沒有實現商業化應用；另外一類則是 Mini LED 背光技術，通過將 Mini LED 背光與 LCD 結合，可以大幅提升 LCD 在對比度和運動模糊方面的性能。^[3]

PM（Passive Matrix，被動矩陣）方式靜態或者掃描實現方式。靜態方式：高壓大電流方式，成本及可靠性最優，平板電視大批量出貨，分區數集中在百分區級；主要應用于傳統 LED 背光方案。

掃描方式：高壓小電流方式，分區越多，相比靜態成本越低，平板電視小批量出貨，分區數集中在千分區級；主要應用于傳統 LED、Mini LED 背光方案。

AM 方式（Active Matrix，動態矩陣）：低壓小電流方式，大幅降低成本，優勢明顯；軟件協議可靠性，信號傳輸完整性等需要大量實驗驗證優化改進；分區數集中在幾千分區級；主要應用于 Mini LED 背光方案。

從實現方式來說，分區驅動在系統內可設計為：燈驅分離，即 LED 燈和驅動芯片分開，用線束連接；燈驅合一，即 LED 燈和驅動芯片放置于同一個玻璃基或鋁基板或 FR4 板等，通過印制板走線，取消線束。

2.3 分區驅動算法應用

Local Dimming 算法設計主要分為對比度提升算法和功耗限定算法。先對圖像的亮度灰階值進行對比度提升算法，然后再根據背光功耗的限定值對 PWM 占空比進行限制，得到最終值提供給背光驅動來控制背光。

從圖像信息中提取背光驅動信號的方法。

（1）平均值法，通過計算每個分區的所有像素灰度平均值確定背光強度，所確定的背光強度偏暗，此方法對比度高且功耗小，但圖像失真較嚴重。

（2）平方根法，通過計算每個背光分區的灰度平均值，然后歸一化取均方根值來確定背光強度，可進一步增強平均值法的背光信號，避免了背光過暗的問題，但仍避免不了圖像失真的現象。

（3）最大值法，將對應的分區所有子像素的最大值作為背光值，該方法雖然可保持大部分的圖像細節，但卻存在較高的功耗，對比度也很難做高。

通過算法改善畫質，提升動態對比度的顯示效果，優化電源有效功率，降低整機的功耗；并且可以針對暗場信號進行單獨處理來有效的改善整機的部分漏光現象。

2.4 分區調光系統設計考慮

從光學角度講，分區電視中LED燈主要方式有燈條、燈板。第一種燈條方式，成本較低，每一個區的燈顆數不宜較多（單排燈較多光形圖較差）；第二種燈板方式，成本較高，每一個區的燈顆數，可以根據光形圖進行設計排布，光形圖可以接近正方形。因為每一個區的光形圖對于畫質優化有著極大影響，所以燈的排布是需要系統考慮的。

從整機功耗角度講，電流越高，熱隨之增加，平板電視整機功耗上升，效率就會下降。從系統角度講，使用小尺寸芯片并降低驅動電流，相應地通過增加背光分區控制來提升電視畫質。

從產品定位講，平板電視背光到底要做到多少分區才算合理，目前沒有明確的標準，還是要綜合考慮亮度、外觀造型、成本、系統可制造性等因素。

2.5 平板電視行業發展

目前，各平板電視廠商大力布局 Local Dimming 功能的整機，目前帶分區調光功能的產品在市場上都取得了不錯的市場反響。分區技術發展及應用預期如下。

（1）顯示（畫質）技術迭代，Mini LED/Micro LED 是目前最為可能的下一代顯示技術，或將成為未來 5~10 年顯示行業的發力點。Mini LED 是 Micro LED 的先導技術 , 在液晶顯示應用中被定義為“高階直下式再升級”產品。各大終端消費電子品牌相繼推出了基于 Mini LED 背光的新產品，成為電視行業新的技術發展趨勢。

（2）PM分區技術短期內仍是百分區級的主流方案，但 AM 分區技術已有下沉的趨勢（百分區級）；分區數越多越有利于提升顯示品質，但是相應需要 LED 數量和 LED Driver IC 的數量就會增加，由此就帶來了成本的上升。另外一方面，PM Mini LED 和 AM Mini LED 在技術上有一些路線的差異，這也會影響到分區路線的選擇。如果采用 AM 背板，可以有效減少 LED Driver IC 使用數量，更容易實現 1 000 分區以上，可以實現更細膩的顯示效果。

3 結語

隨著 LED 背光分區技術的發展，平板電視上的分區數量已涵蓋幾十分區到上千分區，在消費升級的大環境下，分區調光技術成為了未來電視行業發展的主旋律，將最先進的技術與產品完美融合，讓更多、更好的平板電視走進每一個家庭中，讓更多的消費者享受科技帶來的極致體驗。

參考文獻：

[1] 張昕,吳佩雯,肖書平,等.顯示驅動芯片原理及發展現狀液晶與顯示[J].液晶與顯示,2020,35(11):17-21.

[2] 李福文,金偉其,邵喜斌,等.基于LED背光源區域控制的高動態范圍液晶顯示技術進展[J].光學技術,2009(06):29-32.

[3] 季洪雷,陳乃軍,王代青,等.Mini-LED背光技術在電視產品應用中的進展和挑戰[J].液晶與顯示,2021(08):25-27.

(注：本文轉載自《電子產品世界》雜志2022年10月期)