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如何更有效管理LED显示系统背光源
作者:RS Components Mike Caddy
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工业液晶显示器, 液晶屏, 液晶显示模块, LED显示屏, 触摸屏, ...
背光是显示系统中耗电量最大的部分,除了特别大的屏幕,LED已经几乎在大部分显示屏中取代了CCFL,大幅降低耗电量,但如果不加以有效管理,背光仍然会过度消耗电源。本文主要介绍LED背光的兴起,并分析能够摆脱背光需求的OLED显示技术。

LED背光的优势与缺陷

LED背光目前已是10.4英寸以下工业显示板标准,甚至在15英寸以下也可选择。由于LED使用直流供电,驱动更简单,无需换流器,效率得到提升,电源消耗随明亮度增加约成线性增长,简化了电源管理。因此,大多数中小型显示屏目前都安装了LED。

虽然LED背光拥有明显优势,但也存在一些缺陷。白色LED并不是真正意义上的白色,实际上是蓝色LED加黄磷产生的白光,光谱曲线上绿色和红色部分中存在间隙。为实现最佳色彩平衡,质量上乘的LCD显示屏安装的是RGB背光。

不管型号大小如何,大多数显示屏都需要一个以上的LED才能实现可接受的明亮度,不同LED之间的亮度均匀性则更难实现,特别是当LED老化时问题更加严重。电源效率也是要考虑的问题。制造商使用MEMS和其他光导技术将光照扩散到更大的区域,实现最大明亮度和均匀度。

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图1:日立TX17 6.5英寸LCD显示屏,LED背光

实现LED背光利用最大化

LCD显示屏的性能各不相同,重点参数包括明亮度、对比度和可视角度。明亮度的标准较为规范,由黑暗房间内背光驱动最大化、所有像素呈白色情况下每平方米坎德拉数确定。对比度数值比较起来相对难一些,因为关于对比度存在不同的解释,不过基本上都是将系统能够呈现的最亮色彩(白色)与最暗色彩(黑色)的亮度相比较。可视角度则比较主观。

显示明亮度受到TFT显示屏传输率的影响。每个像素都由薄膜晶体管所控制,但晶体管会将该像素的一小部分遮蔽住。通过使用低温多晶硅(LTPS)等技术,能够缩小该晶体管的规模。

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图2:AMOLED 3.5英寸OLED显示屏评估板

根据性能数据,可以列出一些显示屏以供选择,但如果要求在苛刻条件下也要实现良好可见度,对电能消耗也有要求的话,最佳建议是在若干不同显示屏上模拟实际应用,在每个案例中衡量背光电源,其中要考虑显示屏使用环境的环境光、可能的可视角度等因素。有时候对承载关键信息的色彩进行改变也会对显示性能产生影响。

OLED——无背光技术

LCD的驱动自身消耗能源极低,而且显示系统的能耗几乎全部为背光所需,只要电源不关掉,背光通常会照亮所有显示区域。

相比之下,OLED是放射式技术。每一个像素都放射出自己的光,未启动时不会发光,几乎不耗能。与背光LCD显示屏不同,OLED能够产生真正意义上的黑色,对比度大幅提高,通常为10000:1,而传统的TFT显示屏则为400:1。OLED也更加明亮,其中一个原因是LCD显示屏的成对偏光片会过滤掉背光放射出的一半灯光,而OLED不需要成对偏光片。

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图3:Bolymin 240x320 RGB 2.4英寸主动式矩阵OLED显示屏

从审美角度看,OLED技术凭借强化后的明亮度和对比度也绝对优于LCD。OLED显示屏的反应时间通常是50μs,而LCD是25ms,这意味着OLED全动态视频速度得到提升,灰阶再现品质大幅优化。

根据上述原因,虽然OLED成本更高,寿命更短,但越来越多造型/性能很酷的消费产品对此加以采用,比如索尼的X系列Walkman随身听,诺基亚N85和微软Zune HD等产品。OLED技术也出现在工业市场上,配以开发和评估工具包,适用于各种型号(0.79至7.0英寸)和分辨率(64×48至480×272)。

OLED电源管理

OLED显示屏的能源消耗值并不是固定的,而是取决于当时显示的图像。典型视频和图片显示应用时,实现全部像素充分发光所消耗的功率只有理论“最大”值的25%。对功耗要求严格的应用来说,还可通过图像设计来降低功耗。例如,以负性模式(黑底白字)显示图像比正性模式(白底黑字)要更加节能,因为只需要启动约十分之一的像素。

像素明亮度也影响着功耗。节省能源的方法既包括在环境光允许条件下降低所有像素明亮度,也包括对环境光敏感的明亮度管理,如把菜单中无法选择的选项调暗等操作。降低明亮度还可延长显示屏寿命。当电源要求非常苛刻时,也可以考虑改变常用菜单颜色,因为红色和绿色像素要比蓝色更加节能。

由于OLED像素的电容特性,刷新频率对功耗也有影响。很高的帧频会增加充电周期次数,进而增大功耗,同时也会让显示变暗,因为像素在每次刷新周期中没有时间充分充电。在不导致可视图像“抖动”的前提下,刷新速率设置应尽量压低。通常来讲,比较合适的刷新频率为75赫兹,不过有时候低达60赫兹也可以蒙混过关。

因为OLED是放射式技术,持续使用中像素退化过程会非常缓慢。一方面可以使用待机模式和超时模式来放缓老化过程,另一方面也可以考虑设置屏保。屏保中使用的像素数目和像素明亮度可以根据上述介绍进行管理。

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图4:诺基亚N85电话,OLED显示屏

小结

当今世界便携式产品一方面要求降低能耗、重量和成本,而另一方面要求添加多媒体功能,连最单调的测量测试系统也要进行美观设计,导致两方面存在着矛盾冲突。移动电话市场就像一个大试验场,各种旨在调和双方矛盾的新技术都可以拿到市场上进行实验。当年LED背光首先就应用在移动电话显示屏上,现在已经成为工业市场上中小型显示屏的普遍标准。OLED技术似乎也会遵循同样的发展道路。(end)
文章内容仅供参考 (投稿) (6/9/2010)
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