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    品佳集团智能 LED TV 背光Local Dimming驱动整体方案



    大联大集团 品佳企业群


    暂无图片





    一. 前言:

    目前,液晶电视的使用越来越广泛,在人们的日常生活中占据越来越重要的位置,而其消耗的能量也越来越引起人们的关注。因此,各个电视、液晶厂商都投入极大的物力、人力、财力加大研发力量去降低功耗,从技术发展趋势上来说,如何降低背光的功耗最受到关注。因为背光源是最大的能量消耗者,降低了背光的功耗,也就大大降低了整机的功耗。这其中的技术包括改善背光源的驱动电路,改善LED的发光效率,开发新的LED种类,目前,Local Dimming是这些技术中最易于实现,效果最明显的一项技术。尤其是直下式LED背光搭配Local Dimming技术,可大幅度降低电量、提高显示画面对比值、灰阶数、及减少残影等。

    二. Local Dimming BLU概述

    Local Dimming即局部背光调节的意思,利用数百个LED组成的背光代替CCFL背光灯,背光LED可根据图像的明暗进行调节,显示屏图像中高亮的部分的亮度可以达到最大,而同时黑暗的部分可以降低亮度,甚至关闭,以达到最佳的对比度。这样,暗区亮度的降低就降低了背光的功耗。Local Dimming广义而言,大致可分为三大类,分别为0D、1D、2D dimming,其中,2D dimming能将local dimming的技术发挥到最佳效果。从下图可看出local dimming和非local dimming在能耗上和对比度上的差别。

    1. 对比度

    对比可以看出对比度显示效果非常明显。

      上面左图使用了Local diming 功能,右图没有使用Local Dimming 功能。

    使用Local Dimming 功能使到LED TV 能获取更改的对比度,从而达到更好的画质。

    1.  画质对比



    三. 品佳电子智能LED 电视背光方案介绍

    基于MCU的loacl dimming方案由三个部分组成,分别是FPGA或SOC,MCU和LED Driver IC,SOC采集图像信号并通过SPI接口发送数据给MCU,MCU进行数据处理后再通过SPI控制1个或多个LED Driver。

    四. 品佳电子智能LED 电视背光方案框图及元件清单表

    SAC的方案是将DC-DC部分,MCU和LED Driver置于同一套板上,DC-DC可根据灯串电压的不同要求进行升压或降压,MCU采用Cortex M0 32位高性价比MCU,LED Driver采用AMS的AS3695C,DC-DC为24升压到50V,具体要升到多高的电压根据所接LED的总电压,因为AS3695C可驱动16路通道,有两路反馈,因此每8路通道为一个反馈,需要两组DC-DC电路。如下图所示:



    方案BOM表(每16通道)

    Function

    Vender

    Part number

    Spec Info

    PCS

    LED driver

    AMS

    AS3695C

    16 Chs /external MOSFET

    1

    Boost  Controller

    Magnachip

    MAP5201

    24V->50V

    1

    Boost  MOSFET

    Magnachip

    MDS1903

    N MOSFET in Boost

    2

    LED driving MOSFET

    Magnachip

    MDD1903

    N MOSFET driving LED String

    16

    MCU

    NXP

    LPC1114

    SPI Bridge with SOC/FPGA

    1 /每台BLU

    五. 各主要元器件特点

    AS3695C特点:

    可驱动16通道的LED

    输出电压30V,外置MOSFET,驱动电流由MOSFET决定

    电流精度高达+/-0.5%

    集成SPI接口

    具有开短路、过温检测和保护动作

    Cortex M0 单片机特点:

    Cortex-M0内核,高达50MHz的主频,高达40个I/O口

    2-8K SRAM,32K Flash

    2 SPI,最高速率可达25MHz

    极低的功耗,更快的处理速度,仅相当于8位MCU的价格

    MAP5201

    专门为LED TV 背光驱动而设计

    宽电压输入范围,最高至36V

    支持升压(Boost)和降压(Buck)两种拓扑结构

    内部集成1A MOSFET驱动电路

    开关频率可编程,最大500Khz

    输出短路保护电路

    独立控制的双路DC-DC输出。

    MDD1903

    N沟道MOSFET

    耐压100V

    ID =11A @VGS =10V

    RDS(ON) < 120mΩ @VGS = 10V

    < 135mΩ @VGS = 6.0V

    六. 硬件设计介绍:

    硬件部分主要由电源、LED Driver、MCU三部分组成:

    1、电源主要是产生Lightbar所需要的电压;

    2、LED Driver主要功能是控制背光LED,并进行相应的保护检测及处理;

    • 本方案采用的Driver IC是AMS的AS3695C,其主要特点有:

    • 1、具有16个通道,每个通道的延时可单独设置;

    • 2、通道电流精度高达±0.5% @VDAC=250mV;

    • 3、通道对通道电流精度高达±0.2% ;

    • 4、集成SPI接口;

    • 5、具有短路、开路、过温保护;

    • 6、具有两路反馈,可实时监控Lightbar电压进而控制DC稳定输出;

    • 7、集成H-sync、V-sync接口方便与TV的信号同步。

    3、MCU主要是用于控制Driver,其主要功能有:

    • 1、数据处理:

    • ----普通3D:判断2D/3D,通过SPI发送数据从而控制Driver;

    • ----Local Dimming:通过SPI接口与TCON等上位机连接,接收TCON的数据,并解析成LED的数据,再通过SPI接口控制Driver;

    • 2、信号处理:处理外部的BL_ON,2D_3D,Vsync,Hsync信号,DIM信号。

    • 本方案的MCU采用了NXP的LPC1110FD20,其主要特点有:

    • 1、采用ARM Cortex-M0内核,频率高达50MHz;

    • 2、内部集成4KB Flash,1K的RAM,强大的数据处理功能;

    3、具有1路SPI接口,最高速率高达20MHz;

    • 4、多达16个IO口;

    • 5、高性能,极低的功耗,低成本。

    设计框图如下图所示:



    LED Driver 示意图

    整体硬件设计图:


    PCB板电路图如下所示:

    七.软件设计:

     

    软件编程部分主要涉及到三大部分:

    1. 初始化LED Driver.

    该部分主要是对寄存器的相关设定。以及工作模式。比如说开路检测、断路检测、过温保护、等相关模式的打开。

    2. MCU检测接收TCON/FPGA信号。检测Vsync信号分析出电视处于何种频率和模式来通过SPI接口协议动态改变LED Driver中PWM1delLSB相关寄存器的值。从而使LED Driver 输出不同占空比的PWM波形以达到控制LED灯条的显示亮度。

    该部分的重中之重是准确检测分析出Vsync的频率和占空比。该部分通过NXP MCU多功能中断口来检测。中断IO口设定为双边沿触发模式。通过Timer32的寄存器来确定上Vsync 的高电平T_H和低电平T_L的时间值。从而算出周期T.

    T=T_H + T_L

    占空比:Duty=( T_H / T)*100

    定时器的精度很重要,这里设置定时器的精度为50us出触发一次。对于常见Vsync的信号多在50HZ、60HZ、100HZ、120HZ 4种频率,比如50HZ对应的周期是20ms.高低电平在占空比位50%的情况下进入Timer中断计数的次数为40次。这样考虑到指令执行的误差识别的精准度在0.5%-1%之间,这是完全能够满足要求。

    3. 双反馈检测.LED driver采用动态反馈模式保证LED灯在恒定电压下工作。由于FB的参与, DC/DC 的输出电压会被抬升, 因此我们要软件中设定一个最高的输出电压, 当然, 这个电压值一定大于正常灯串上所有LED正向导通电压的总和.在软件中我们根据具体情况修改Res值,而不用修改硬件部分的相关参数。

    八. 节能效果:

    通过使用Local Dimming 功能使用电视机的主要“耗电大户”—背光驱动功耗大幅下降,实际测试播放相同内容,相同规格的电视,使用Local dimming 功能后整机功耗从102 瓦,下降到51.11瓦。

    节能达到50%。 


    九. 市场前景:

    身為全球最大 LCD TV 消費市場的大陸,於 2010 年 12 月 1 日起實 施平面電視能效標準規範,公布於 GB 24850-2010 文件,主要特點是 LCD 與 PDP 分開訂定能效標準,並明確規定量測條件,以能效指數作為分級 依據。

    大陸於 2012 年 7 月起實施節能家電補助,針對能效 1 級平面電視,依照機種、尺寸、能效指標給予補貼。

    开发出节能电视,从而达到国家的能效等级并取得节能家电补贴是各大电视生产商必争的战略。

    使用本方案客户令到电视机背光部分电路达到最省电的状态,本方案已经在国内主流电视生产商采用,并进行生产,并有望成为未来电视机背光主流方案。

    中国大陆LCD电视机产量已经达到3000万~4000万台的规模,本方案市场前景非常广阔。

    十. 结语

    该方案在现有的节能环保的大势下推出高端的智能电视LED背光调节节能解决方案。在传统方案的基础上节能50%,按照现有的电视饱有量按40000万台。如果一户家庭每天看电视5个小时计算,全国每天可以节省10兆瓦时,每年节省的电量为3650兆瓦时。而对于国家近期推出的节能惠民工程。该方案无疑会成为各大电视厂商提高能效等级发力的一个主要方面。有助于更好的推出更多更好的节能电视,以适应于节能环保的需要。




    应用于LED TV智能背光、监控器等液晶屏幕的背光亮度调整
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  • 评选流程
  • 2012年6-8月方案提交
    2012年9-11月中电网注册工程师评选
    2012年11月评审委员会专家评选
    2013年01月18日颁奖典礼 (工信部微电子发展研究中心多功能会议室,北京)
  • 评选标准
  • 本次优秀方案评选,将从如下4个方面进行考评,邀请网友投票:
    • 方案的创新性
    • 方案性价比
    • 方案易用度
    • 方案市场潜力
 
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