使用多色LED补色的背光源

     摘 要：采用白色LED灯作为主要光源、橙色灯和蓝色灯作为补色光源设计了背光源系统。用线性拟合的方法得到亮度不同情况下3种灯的PWM 波形高电平持续时间的比例关系。根据该关系进行调光，可以得到色温在6 500±100K以内，色坐标u′在0。198±0。01以内，v′在0。468±0。01以内的标准白色光。在温度变化时，根据颜色传感器TCS230数据微调橙灯和蓝灯的PWM 高电平时间，维持红、绿和蓝3颜色通道输出的脉冲个数比例关系恒定则颜色不变。

　　1 引  言

　　随着LED技术的成熟，各种颜色的LED纷纷研发出来，同时成本也在大幅下降。输出电流在300mA以上的LED驱动电路常见的有电感式开关电源和线性电源驱动方式，也有用开关电源和线性电源联合驱动的方式。线性电源驱动电路中几乎没有地弹和纹波，对电路产生的干扰小，常用在对电磁兼容要求高的场合。

　　多颜色LED混色补色的背光技术是当前研究的热点。早在2000年，日本就已生产出多芯片型LED背光产品。随后，各大公司相继推出以多芯片型LED为背光的高性能LCD。但具体怎样混色补色，现在公开的文献还很少。

　　虽然红绿蓝3种颜色LED灯混合出的背光色域宽，但存在红边现象。本文采用白色LED灯作为主光源，然后用橙灯和蓝灯作为补色光源，得到出屏白场色温在(6 500±100)K 以内，色坐标u′在0。198±0。01以内，v′在0。468±0。01以内的标准白色光。

　　2 补色电路框图

　　白灯LED是用蓝光激发$荧光粉而得到白光，由于液晶屏对短波分量的衰减要大于长波分量，故白灯LED发出的光出屏后颜色偏黄，既需要补蓝光，同时也要补红光。

　　在流过典型电流20mA的情况下，常温下橙灯电压是2V，蓝灯电压是3V，白灯电压是3V。

　　3种灯都是8个一串。橙灯在典型电流情况下工作只需要16V左右即可，其驱动电路线性恒流源效率不到60%，由于橙灯是补色的，故此功率损耗不到1W;白灯和蓝灯的线性电源效率超过85%。

　　3种LED灯各用一路线性恒流源驱动，每路设置总和电流200mA，保证每串LED灯的电流是其典型电流20mA，如图1所示。每路线性恒流源独立采用同频率的PWM 调光信号，它们的频率是固定的，占空时间随调光亮度不同而改变。

　　以FPGA作为控制器，根据上位机的调光指令调整PWM 占空比，从而控制背光亮度;采样颜色传感器的数据，微调橙灯和蓝灯的PWM 占空比，保证在温度发生变化时色温不变。

图1  LED橙灯和蓝灯补色电路框图。

　　3 PWM 调光与补色

　　3.1 橙灯和蓝灯补色前的准备工作

　　图2为白灯及补色彩灯的PWM 调光波形图。应保证驱动电路满足以下条件：

　　(1)驱动电压应该能够保证LED灯恒流所必需的电压输出;(2)驱动电路的输出电流应该具有导通时间上的一致性，这样可以做到亮度线性调节;(3)在昼模式下，白光应该逐渐升高，而补色的蓝灯和橙灯应该按白灯变化比例逐渐增加。

图2  白灯及补色彩灯的PWM 调光波形图。

　　3.2 在SS-230平板显示系统综合分析仪器上混光

　　图3为SS-230平板显示综合分析系统的照片。实验时，调白光从低亮度到高亮度，橙灯和蓝灯也按比例逐渐增加，保证色温在(6 500±30)K，色坐标u′=0。198，v′=0。468。记录从低亮度到高亮度调光过程中，白灯、橙灯和蓝灯的调光PWM波形高电平持续时间的数据，共记录40组数据。

图3 SS-230平板显示综合分析系统。

　　3。3 数据拟合

　　根据记录的40组数据，可以得出在不同亮度情况下3种灯的调光PWM 高电平时间。下面拟合出3种光的调光高电平时间与亮度的关系，见图4。

　　图3中3根不间断曲线的表达式如下：

图4 亮度与3种灯的调光级数的关系。

　　式(1)中，L 是亮度，W 、O 和B 是白灯、橙灯和蓝灯PWM 波形高电平时间级数，调光周期为500μs，高电平时间级数是(7FFF)16=(32 767)10级。

　　如白灯高电平时间级数是7EE0，则它的调光PWM 波形中高电平时间是：

　　3.4 颜色闭环控制

　　根据所得到的拟合曲线，在背光灯温度恒定并且与做拟合曲线时的背光灯温度一致的情况下，在全亮度范围内调光可以得到标准白色光源。但是要保证背光LED灯温度不变是不可能的，随着LED灯温度变化，白灯、橙灯和蓝灯的衰减不一样，色温会有漂移现象。

　　记录颜色传感器在200个调光周期，即100ms内，红、绿和蓝3颜色分量输出的脉冲个数，这些数据作为3颜色分量的亮度值。

　　在温度变化时，根据颜色传感器测量出的红、绿和蓝三色亮度数据，微调橙灯和蓝灯的PWM波形高电平时间，使红、绿和蓝三色亮度比值恒定，则色温保持不变。

　　4 结  论

　　在SS-230平板显示系统综合分析仪器上，从低亮度到高亮度变化测量出40个点，调整3种灯的PWM脉冲高电平时间，得到标准白色光源。然后采用线性拟合的方法得到亮度不同情况下3种灯的PWM波形高电平持续时间的比例关系，根据该关系调光可以保证整个亮度范围内背光源是标准白色光。根据颜色传感器输出的红、绿和蓝3颜色通道数据，微调橙灯和蓝灯的PWM 高电平时间，维持红、绿和蓝3颜色通道数据的比例关系不变则色温恒定。采用以上办法得到出屏白场色温在(6 500±100)K以内，色坐标u′在0。198±0。01以内，v′在0。468±0。01以内的标准白色光。