逼真度/節(jié)能/尺寸缺一不可 便攜式裝置背光照明受重視

　　在便攜式裝置的背光照明設(shè)計(jì)所面臨的挑戰(zhàn)中，色域可以影響畫面的“逼真度”。

　　消費(fèi)者希望在便攜式裝置上顯示的畫面能夠盡量接近實(shí)物或?qū)嵕?。同時(shí)，顯示器的耗電量也不能夠太大以免影響移動(dòng)電話的使用時(shí)間，因此顯示器的節(jié)能技術(shù)也很重要。此外，從便攜式裝置的角度來看，顯示器尺寸絕對是重要的考慮因素。因此，為了滿足市場的需求并設(shè)計(jì)出成功的產(chǎn)品，今天的工程人員必須克服種種嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。

　　雖然冷陰極燈管(CCFL)/白光發(fā)光二極管(WLED)是目前較為普遍的顯示器背光照明設(shè)計(jì)技術(shù)，不過RGB LED背光照明設(shè)計(jì)正快速的崛起。以下將分別評估這兩種背光照明技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)以及所面臨的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。

　　RGB完整滿足使用需求

　　目前大多數(shù)采用CCFL照明的顯示器，大約可以覆蓋40～76%的彩色電視廣播標(biāo)準(zhǔn)(NTSC)色域，而采用RGB LED背光照明技術(shù)的顯示器，其NTSC色域覆蓋率可超越100%，這是肉眼都可以分辨出來的差別。

　　但對比較高端的移動(dòng)顯示器而言，存在著幾個(gè)主要的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)：究竟如何才可以重現(xiàn)最逼真的影像？如何在高效率及小尺寸條件下實(shí)現(xiàn)高畫質(zhì)？以及如何解決掀蓋式電話和旋蓋式電話的背光照明設(shè)計(jì)問題。

　　一般而言，白光LED包含一個(gè)藍(lán)色或接近紫外光的發(fā)光芯片，上面涂有磷光劑材質(zhì)，該磷光層會吸收從LED發(fā)射的光線，再以較長的波長發(fā)射出來?？墒怯闪坠鈩┧a(chǎn)生的光子會有超過一半散射回LED芯片，導(dǎo)致很大部份的光線被吸收掉，導(dǎo)致白光LED的整體光輸出量減少(圖1)。

圖1　含磷白光LED的典型放射光譜

　　白光LED擁有一個(gè)很強(qiáng)的藍(lán)光波峰及一個(gè)比藍(lán)光低但較寬廣的磷黃光波峰，而不同的藍(lán)光及黃光強(qiáng)度組合便可產(chǎn)生不同的光線頻色，可以讓呈現(xiàn)的顏色比較白或比較藍(lán)。

　　如圖2所示，白光LED的光譜與彩色LCD的彩色濾光片并不匹配，導(dǎo)致部分能量耗散。此外，由于必須為WLED的光譜進(jìn)行伽瑪校正(Gamma Correction)，因而損失了色彩的深度，尤其在紅色的部分。

圖2　WLED與彩色LED濾光片頻譜分配

　　RGB LED的回應(yīng)(圖3)共有三個(gè)波峰，分別來自于紅、藍(lán)以及綠色的LED。每個(gè)波峰的振幅都可以獨(dú)立控制，從頻譜的比較可看到白光LED在紅光頻譜范圍內(nèi)的響應(yīng)較弱，因此這范圍內(nèi)的視覺靈敏度也很低。

圖3　RGB 背光及LCD彩色濾光片

　　使用RGB背光照明技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)顯而易見，除了毋須加上黃色，也不必使用多色彩磷光層。另外，RGB背光照明技術(shù)擁有寬廣的色域(>100% NTSC)。此外，由于是采用光的三原色關(guān)系，它還可進(jìn)行白點(diǎn)(即三原色重迭區(qū)域的中央位置)調(diào)節(jié)。

　　即使將流經(jīng)LED的電流保持固定不變，LED的亮度(圖4)還是其作業(yè)溫度的一個(gè)函數(shù)，因此LED的光亮度會隨溫度的變化而呈現(xiàn)動(dòng)態(tài)性變化，當(dāng)中以紅色光的變化與溫度變化相關(guān)性最高。

圖4　LED亮度與溫度之關(guān)聯(lián)性

　　圖5中的“封閉式回路”控制可以確保整個(gè)工作溫度范圍內(nèi)的白平衡，其中脈沖寬度調(diào)變(PWM)邏輯會根據(jù)周遭環(huán)境的溫度，然后透過改變PWM的工作周期(12位分辨率)為紅、綠及藍(lán)光LED進(jìn)行光亮度補(bǔ)償。RGB的光度特性可由客戶預(yù)先程序化，并且燒錄在1kb的電子可擦寫可編程只讀存儲器(EEPROM)內(nèi)存內(nèi)。

圖5　燒錄在EEPROM內(nèi)的RGB特性

　　RGB LED大幅提升效率

　　RGB背光照明的效率取決于三個(gè)因素，可以藉由采用可適性輸出電壓、加強(qiáng)LED的驅(qū)動(dòng)能力--即加強(qiáng)PWM對LED電流的控制，以及減少紅光LED驅(qū)動(dòng)器的損耗，以及彩色濾光片的傳輸能力等方面提升效率。

　　以市面上的升壓轉(zhuǎn)換器作為加強(qiáng)效率的一個(gè)實(shí)例可以看出，使用該轉(zhuǎn)換器后，即使遇上大的電壓增益和4.7微亨利(μH)、3毫米×3毫米×1毫米的小型電感器，系統(tǒng)都可得到卓越的效率。此外，可適性升壓控制能夠自動(dòng)地以每級0.25伏特的幅度將輸出電壓調(diào)節(jié)到最小的要求，毋須為了遷就制程技術(shù)或溫度變化而為LED順向電壓(Vf)變化預(yù)留空間。

　　表1比較了WLED和非最佳化RGB LED驅(qū)動(dòng)之間的效率。在整個(gè)測量過程中，WLED都以直流電壓去驅(qū)動(dòng)，其結(jié)果會因?yàn)楣╇娮兓y量設(shè)定以及儀器的不同而變化。結(jié)果顯示W(wǎng)LED的效率比非最佳化RGB驅(qū)動(dòng)高出25～30%。

表1　未經(jīng)最佳化RGB與WLED的比較

　　將RGB驅(qū)動(dòng)中的PWM控制(表2)最佳化，效率可達(dá)到大約15%的提升，即使由于功率較高而導(dǎo)致PWM值在開始時(shí)較高，進(jìn)而使背光照明的溫度提升到70℃。

表2　經(jīng)最佳化RGB與WLED的比較

　　然而在較低的亮度下(即較低功率及溫度)，RGB在驅(qū)動(dòng)效率方面的改善比WLED來得更好。同時(shí)，WLED的亮度會受溫度影響，RGB的亮度則可以保持穩(wěn)定。

　　另外，在相同的色域條件下，由于RGB可以使用比較廣泛的彩色濾光片，使得其效率可進(jìn)一步改善。因此，在相同的色域下，只要彩色濾光片的光傳輸率有10%的改善就可以為整。