动态背光可提高对比度并调整小型LCD面板的功耗

通过使用动态LED背光来增强视频观看，可以提高手机LCD显示屏的感知对比度。本应用笔记以MAX6948B为例，介绍如何在现有LED驱动器上增加瞬时脉宽调制（PWM）强度控制。

介绍

背光液晶显示器（LCD）存在于许多消费产品中，从微型手机到大型电视。但是，经常有很多关于对比度的抱怨，尤其是黑色水平。由于LCD需要背光照明 - 黑色水平，即没有光线，看起来不太自然。动态背光允许自定义LCD屏幕上的背光，以通过改变背光强度来提高对比度。随着能够播放视频文件的手持设备越来越多，提供更好的观看体验是一个关键卖点。

目前，液晶电视和手持设备通常采用由静态冷阴极荧光灯（CCFL）或LED实现的屏幕边缘背光。然而，未来的大面积高端LED背光液晶电视会将屏幕分成许多行和多列的单元，每个单元由一组RGB LED集群组成。通过独立控制每个单元的光输出（基于图像内容），动态背光提高了图像对比度。随着背光和驱动器成本的下降，下一代高端电视可以将动态控制应用于单元内的每个RGB LED集群，以实现更精细的背光控制。系统所要做的就是监控视频内容，并将控制信号反馈给背光控制器，以动态调整每个单元中的LED亮度。

对于手机LCD显示屏，不需要将小屏幕分成一行又几列的单元格。但是，背光也可以利用视频内容的“窥探”，根据视频屏幕在特定时刻的平均强度动态调整亮度，以增强观看体验。这种技术还可以延长手机电池的使用时间，因为每当播放视频时，背光可能不必以全亮度运行。

LED背光驱动器（如MAX6948B等）具有内部脉宽调制（PWM）模块，通过I²C等串行接口，根据手机基带控制器的命令控制所连接LED的强度。然后，基带控制器可以使用驱动器的内部PWM模块动态调整背光，以响应用户的按键或环境光的变化。然而，有限的通信速度和串行接口的协议开销引起的延迟肯定会消除控制器使用LED驱动器的内部PWM模块来实现与视频内容相对应的动态背光。

改变与视频内容相对应的背光强度需要一个PWM信号，其占空比随视频内容动态变化。该PWM信号可以使用手机基带控制器内的现有视频信号处理电路根据每帧的平均强度水平生成。PWM 信号可通过基带控制器的通用 I/Ω （GPIO） 引脚发送到背光 LED 驱动器。

然后，LED驱动器需要将该外部PWM信号直接转换为相应的LED强度水平变化，而不会通过串行接口（也由基带控制器）对其内部PWM功能集造成太大干扰。例如，50%的外部PWM信号占空比不会使强度与内部PWM模块设置的强度变化，小于50%占空比的PWM信号会使强度变暗，而超过50%的占空比会使强度变亮。

虽然对于MAX6948B等许多LED驱动器，没有特定的输入引脚来接受该外部PWM信号，但动态背光的额外PWM强度控制仍可以通过在典型应用电路中添加几个元件来实现。让我们研究如何添加外部PWM强度控制，以补充器件的内部PWM以实现动态背光控制。在本例中，额外的背光控制信号由微控制器的I/Ω引脚产生。但是，该信号可以表示移动光传感器或分析屏幕内容的电路的输出。MAX6948白光LED （WLED）驱动器作为示例器件。该驱动程序设计用于在移动电话中运行，但该概念可以应用于任何带有LCD屏幕的系统。

MAX6948B WLED驱动器接受2.7V至5.5V的标准输入电压，输出电压升压至28V以驱动背光。虽然该芯片设计用于驱动手机的背光，但添加外部PWM以动态控制背光的技术可用于液晶电视，PDA，笔记本电脑或几乎任何LED背光显示器。一个外部电阻器，RB，设置峰值背光强度（图1）。电阻越大，峰值电流越低，因此背光强度越低。但是，通过增加一个晶体管（Q1）和第二个电阻（RB2），可以在不改变内部PWM的情况下调制电阻以改变背光亮度。

芯片内部产生PWM信号，根据主机通过I²C端口发送的命令确定LED强度。驱动WLED的芯片的升压输出可以完全开启、完全关闭或PWM化，分辨率为10位（1024级）。最大电流由反馈电阻R决定B.如果 RB为3.3Ω，通过LED的最大电流约为30mA （VFB/RB= 100mV/3.3Ω 

30mA）。如果 RB为30Ω，最大电流约为3.3mA。调节电压，VFB，稳定在 100mV 左右，并控制通过 WLED 驱动的最大电流。通过调制反馈电阻，可以实现对WLED强度的额外控制。

图1.电路用于对MAX6948B WLED驱动器施加外部PWM控制。微控制器的PWM频率为5kHz，占空比为0至100%。

本例中PWM控制信号由MAXQ2000微控制器产生，PWM控制信号范围为0V至+3.3V;频率为5kHz;占空比可在0%至100%之间调节。MAX6948B也安装在评估板上，Vishay SI4800BD n-FET晶体管（Q1）调制反馈电阻。对于手机应用，可以使用具有低漏源电阻RDSON的较小尺寸的n-FET晶体管;否则电阻 R®B可以减少以补偿较大的RDSON。由于5kHz PWM开关频率较低，当使用MAXQ2000的驱动器时，栅极电荷的影响可以忽略不计。晶体管的功耗可以忽略不计，因为开关损耗很低，通过它的平均电流也很低。

测试结果

图3中的波形是使用电流探头捕获的，显示了通过串联WLED的电流。MAX6948B的内部PWM功能导通，占空比设置为50%。图3a显示了外部PWM占空比为15%时的LED电流;图3b显示了外部占空比为85%时的电流，图3c显示了外部PWM对通过串联WLED的电流的影响。

数据显示，由于MAX6948B的时间常数和反馈行为，LED电流电平不会在30Ω电阻确定的最低电流电平和3.3Ω电阻确定的最高电流电平之间切换。平均幅度和PWM摆幅根据外部PWM占空比设置而变化。

在这种情况下，外部PWM控制是通过改变n-FET晶体管的瞬时和平均电阻来实现的。这反过来又改变了通过串联LED的电流。关于此配置，有两个重要事实需要注意。首先，5kHz的外部PWM频率远高于125Hz的内部频率。其次，外部PWM控制也在调节LED电流的直流部分。由于这两个特性，该解决方案避免了与双PWM强度控制相关的常见“跳动”问题。内部PWM从0%到100%施加了不同占空比的外部PWM控制，并且外部控制是有效的。在不同的占空比设置下未观察到跳动。

图 3a. 外部 PWM 占空比为 15% 时的 LED 电流。

图 3b. 具有 85% 永恒 PWM 占空比的 LED 电流。

图 3c.外部PWM效果的详细信息。

LED的发光在有限截面上随正向电流线性变化。图4绘制了MAX6948评估板上金亮WLED的WLED发光强度与正向电流的关系。调制 RB3.3Ω至30Ω之间的电阻产生30mA至3.3mA的正向电流。3mA至30mA区域的电流-发光关系接近线性，如图4所示。0% 外部 PWM 占空比在 3mA 时产生发光强度，在 30mA 时产生 100% 占空比。这些结果假设内部PWM强度完全开启。通过使用I²C PWM命令，可以通过器件的内部PWM控制来降低强度水平。

图4.发光和当前关系。

审核编辑：郭婷