雷克斯の生活日誌

• 什麼是PWM?

PWM是Pulse Width Modulation的縮寫，直接翻譯就是脈衝寬度調變。

PWM是一種利用數位訊號模擬類比訊號的方式。通常我們可以用PWM來調整燈光的亮度、馬達的轉速、RGB LED 的配色、螢幕亮度控制、喇叭的大小聲/聲音頻率等等。

圖1.利用PWM模擬類比訊號

LED背光使用PWM的原因：

1.均流設計

大多數的LED在額定電流值附近區域，其光學特性會很一致。但在距離額定電流值較遠的區域，即使用相同的驅動電流，LED之間的特性也會出現較大的偏離。

需要較低亮度時，一般會直接減少通過LED的電流，但是這樣LED之間的亮度可能會存在很大的差異。例如，如果同樣用10mA的電流驅動兩個額定值爲35mA的LED，其整體亮度會減少，並且兩顆LED之間的亮度差異也會增加許多。

若應用在筆記型電腦之類的中大尺寸LCD背光中需要幾十甚至上百顆高亮度LED同時點亮，如果其流過LED的電流偏離額定值太多，即使流過每顆LED的電流是一樣的，也會出現亮度不均勻的情況。

所以實際的運用中，一般採用PWM調光來解決這個問題。以確保LED間的亮度一致性。而且在中大尺寸LCD面板下，大多為多串的LED陣列，這時每一串LED的電流一致性就非常重要，所以均流設計也是一般驅動電路所必須考量的。

2.延長LED壽命

除亮度調節外，用PWM調光在一定程度上面可以增加LED的使用壽命，PWM調光會讓LED溫度變化，不會一直在高溫狀態，從而提高LED的使用壽命。

LED調光有很多方式，依系統應用的不同需求，有不同的選擇，可以依LED輸出電流波形的不同，區分為脈波寬度調光(PWM Dimming, PDIM)與類比調光(Analog Dimming, ADIM)兩種，以下就這兩種調光技術作介紹。

• 脈波寬度調光(PDIM)

PWM Dimming(PDIM)是利用人眼的視覺暫留原理，以一固定直流電壓經過以一定頻率開關，從而控制LED輸出的平均電流值。

在PWM調光下，LED的輸出電流是一個LED導通和不導通的週期性方波輸出，藉由改變方波波形的導通時間寬度(duty)來調節LED的平均電流大小，達成調光的功能，一般LED的開關速度可以達到µs。

LED平均電流值可以等於方波的導通周期乘以最大電流，亦即

I_LEDavg= Duty(%) × I_LEDmax

圖2.PWM調光(PDIM)透過開關LED達成調光的功能

圖3. PWM調光(PDIM)下的輸出電流波形

• 類比調光(ADIM)

  Analog Dimming(ADIM)是直接調整LED的參考電壓值，進而改變LED的輸出電流大小，參考電壓越大，輸出電流就越大。由於輸出的LED電流為類比波形，故名為Analog Dimming。

圖4.類比調光(ADIM)透過改變LED電壓達成調光的功能

圖5. 類比調光(ADIM)下的輸出電流波形

• PDIM與ADIM的比較

圖6. PDIM與ADIM的特性對照表

圖7. 不同PWM duty對於PDIM與ADIM的輸出電流比較，中間波形為PDIM的輸出電流，最下面波形為ADIM的輸出電流

假如想要控制LED的亮度為50%，取LED額定電流為100mA工作電流為50mA，類比調光與PWM調光工作電流對比如下圖。

圖8.ADIM時LED處於50%額定電流和PDIM的duty為50%時，兩者照明效果等效，但PDIM時LED的使用壽命為ADIM下的一半，所以可以使LED的使用壽命延長。

• LED背光區域調光技術

某些高階顯示器為了提高對比度，會使用區域調光(Local Dimming)，讓暗的畫面區塊的背光降低，讓使用者視覺上會因此覺得更暗；反之，較為明亮的畫面區塊則提高背光亮度。

由於是根據畫面做不同的背光處理，所以區域調光所需要的功耗會較小，以達到節能的效果，如果亮度區塊分得愈多，區域調光的優勢愈明顯，但相對的會提高控制複雜度及成本。

圖9. 使用全陣列局部調光的效果(圖片來源)

LED背光區域調光技術大致分為兩種：

(1)全陣列局部調光(Full-array local dimming)

圖10. 全陣列局部調光示意圖

全陣列局部調光指的是LCD面板後佈滿LED燈，並直接照向使用者。由於可以單獨控制這些LED，所以是較理想的局部調光方式，尤其是在HDR的應用上，可以更有效的提升對比度。但由於尺寸較大、成本較高，且均勻度(Uniformity)未必比側光式的好，所以市面上顯示器搭配全陣列LED的機種並不常見。

(2)側光式局部調光(Edge-lit local dimming)

圖11. 側光式局部調光示意圖

目前市售的顯示器大多是搭配側光式的LED，其LED擺放在面板的側邊(上下、左右兩側或上下左右四側)，並照向面板中心。

由於側光式只能控制一大片的區域調光，所以其調光的精準度沒有全陣列式的高，但相對的其成本較低。

相較於Local Dimming，還有一般顯示器最常見的全局調光(Global Dimming)。當畫面場景較暗時，會逐漸降低背光的亮度，由於只能調整整個LED燈，所以會感覺整個畫面亮度都偏暗，通常需要提高對應亮度的code值來補償其亮度的損失。

• 小結

透過PWM調整佔空比(duty)，可以達到控制LED亮度的功能，不同的LED輸出電流波形可以分為數位的PDIM和類比的ADIM。

LED背光源的顯示器可以根據區域調光分為Global Dimming和Local Dimming，其目的都是為了提高顯示器的對比度，在HDR盛行的時代，區域調光可以有效的提升畫面質感。

• 資料來源

Local-dimming介绍

Local Dimming on TVs

淺談 LCD Panel 的 LED 背光源電路設計

LED與PWM之間有什麼關係？

技術：LED背光控制器調光方式探討