RGB LED背光方案崛起高端移动市场

　　现今，许多高端的移动电话都要能支持高像素照相、移动数字电视、MPEG-4影片播放及视频会议等功能。为了提高移动电话的显示质量，设计人员普遍都会采用红绿蓝(RGB)发光二极管(LED)背光照明技术。虽然这项新技术可以显著地强化显示器的色域(Color Gamut)，但对于实际的设计而言，却比白光LED困难许多。本文将介绍RGB背光照明技术的功能优点与设计上所面临的挑战，以及如何在移动电话显示器上驱动RGB LED背光的最佳解决方法。
 
　　便携式装置应用一般包含多个子系统，随着显示器的尺寸不断变大，显示器质量的优劣便成为是否能在市场取得差异化的利器。包括背光装置、色彩管理芯片、闪光灯LED以及显示器接口等手机的几个重要组件都可能会影响显示器的整体质量。 

　　在便携式装置的背光照明设计所面临的挑战中，色域可以影响画面的“逼真度”。

　　消费者希望在便携式装置上显示的画面能够尽量接近实物或实景。同时，显示器的耗电量也不能够太大以免影响移动电话的使用时间，因此显示器的节能技术也很重要。此外，从便携式装置的角度来看，显示器尺寸绝对是重要的考虑因素。因此，为了满足市场的需求并设计出成功的产品，今天的工程人员必须克服种种严峻的挑战。 

　　虽然冷阴极灯管(CCFL)/白光发光二极管(WLED)是目前较为普遍的显示器背光照明设计技术，不过RGB LED背光照明设计正快速的崛起。以下将分别评估这两种背光照明技术的优缺点以及所面临的设计挑战。 

　　目前大多数采用CCFL照明的显示器，大约可以覆盖40～76%的彩色电视广播标准(NTSC)色域，而采用RGB LED背光照明技术的显示器，其NTSC色域覆盖率可超越100%，这是肉眼都可以分辨出来的差别。 

　　但对比较高端的移动显示器而言，存在着几个主要的设计挑战：究竟如何才可以重现最逼真的影像？如何在高效率及小尺寸条件下实现高画质？以及如何解决掀盖式电话和旋盖式电话的背光照明设计问题。 

　　一般而言，白光LED包含一个蓝色或接近紫外光的发光芯片，上面涂有磷光剂材质，该磷光层会吸收从LED发射的光线，再以较长的波长发射出来。可是由磷光剂所产生的光子会有超过一半散射回LED芯片，导致很大部份的光线被吸收掉，导致白光LED的整体光输出量减少(图1)。

 
图1　含磷白光LED的典型放射光谱

　　白光LED拥有一个很强的蓝光波峰及一个比蓝光低但较宽广的磷黄光波峰，而不同的蓝光及黄光强度组合便可产生不同的光线频色，可以让呈现的颜色比较白或比较蓝。 

　　如图2所示，白光LED的光谱与彩色LCD的彩色滤光片并不匹配，导致部分能量耗散。此外，由于必须为WLED的光谱进行伽玛校正(Gamma Correction)，因而损失了色彩的深度，尤其在红色的部分。

 
图2　WLED与彩色LED滤光片频谱分配

　　RGB LED的回应(图3)共有三个波峰，分别来自于红、蓝以及绿色的LED。每个波峰的振幅都可以独立控制，从频谱的比较可看到白光LED在红光频谱范围内的响应较弱，因此这范围内的视觉灵敏度也很低。

 
图3　RGB 背光及LCD彩色滤光片

　　使用RGB背光照明技术的优点显而易见，除了毋须加上黄色，也不必使用多色彩磷光层。另外，RGB背光照明技术拥有宽广的色域(>100% NTSC)。此外，由于是采用光的三原色关系，它还可进行白点(即三原色重迭区域的中央位置)调节。 

　　即使将流经LED的电流保持固定不变，LED的亮度(图4)还是其作业温度的一个函数，因此LED的光亮度会随温度的变化而呈现动态性变化，当中以红色光的变化与温度变化相关性最高。

 
图4　LED亮度与温度之关联性

　　图5中的“封闭式回路”控制可以确保整个工作温度范围内的白平衡，其中脉冲宽度调变(PWM)逻辑会根据周遭环境的温度，然后透过改变PWM的工作周期(12位分辨率)为红、绿及蓝光LED进行光亮度补偿。RGB的光度特性可由客户预先程序化，并且烧录在1kb的电子可擦写可编程只读存储器(EEPROM)内存内。

 
图5　烧录在EEPROM内的RGB特性

　　RGB背光照明的效率取决于三个因素，可以藉由采用可适性输出电压、加强LED的驱动能力--即加强PWM对LED电流的控制，以及减少红光LED驱动器的损耗，以及彩色滤光片的传输能力等方面提升效率。 

　　以市面上的升压转换器作为加强效率的一个实例可以看出，使用该转换器后，即使遇上大的电压增益和4.7微亨利(μH)、3毫米×3毫米×1毫米的小型电感器，系统都可得到卓越的效率。此外，可适性升压控制能够自动地以每级0.25伏特的幅度将输出电压调节到最小的要求，毋须为了迁就制程技术或温度变化而为LED顺向电压(Vf)变化预留空间。 

　　表1比较了WLED和非最佳化RGB LED驱动之间的效率。在整个测量过程中，WLED都以直流电压去驱动，其结果会因为供电变化、测量设定以及仪器的不同而变化。结果显示WLED的效率比非最佳化RGB驱动高出25～30%。

表1　未经最佳化RGB与WLED的比较

　　将RGB驱动中的PWM控制(表2)最佳化，效率可达到大约15%的提升，即使由于功率较高而导致PWM值在开始时较高，进而使背光照明的温度提升到70℃。

表2　经最佳化RGB与WLED的比较

　　然而在较低的亮度下(即较低功率及温度)，RGB在驱动效率方面的改善比WLED来得更好。同时，WLED的亮度会受温度影响，RGB的亮度则可以保持稳定。

　　另外，在相同的色域条件下，由于RGB可以使用比较广泛的彩色滤光片，使得其效率可进一步改善。因此，在相同的色域下，只要彩色滤光片的光传输率有10%的改善就可以为整。