- 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
ILEDavg= Duty(%) × ILEDmax
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