Implementacja strefowego wygaszania podświetlenia LED sposobem na poprawę jakości obrazu wyświetlaczy TFT-LCD
| TechnikaOdpowiednia implementacja obsługi wyświetlacza TFT-LCD pozwala na osiągnięcie efektu wizualnego zbliżonego do prawdziwej czerni oraz uzyskania wysokiej jakości obrazu. W tekście przedstawiono przykład takiego systemu, wykorzystującego podświetlenie matrycowe LED ze strefowym wygaszaniem oraz układ korekcji gamma, uwzględniającego specyficzne wymagania dla rozwiązań automotive, zasilanych z akumulatorów samochodowych.
Wyświetlacze TFT-LCD są powszechnym elementem wnętrza współczesnych pojazdów – znaleźć je można zarówno w centralnym panelu kierowcy, wyświetlającym informacje i komunikaty na temat parametrów jazdy oraz stanu pojazdu, jako dotykowe ekrany sterowania i kontroli pojazdem, jak i w systemach informacyjno-rozrywkowych przeznaczonych dla pasażerów. Ze względu na swoją powszechność odgrywają bardzo ważną rolę w funkcjonowaniu całego pojazdu – dostarczają krytycznych informacji dla kierowcy, co bezpośrednio przekłada się na bezpieczeństwo podróży.
Z upływem lat rozmiar i rozdzielczość wyświetlaczy wykorzystywanych w pojazdach wzrasta, co przekłada się na coraz większe skomplikowanie oraz zaawansowanie sterujących nimi układów elektronicznych. Rosną również oczekiwania konsumentów, przyzwyczajonych do otrzymywania obrazów wysokiej jakości i rozdzielczości. Za przykład rosnącego poziomu skomplikowania posłużyć może podsystem zasilania ekranu, składający się z wielokanałowego zasilacza matrycy TFT-LCD, wielokanałowego regulatora napięcia do celów układu korekcji gamma oraz układu zasilającego diody LED stanowiącego podświetlenie ekranu.
Podświetlenie
Jedną z wad wyświetlaczy LCD jest konieczność stosowania dodatkowego podświetlania matrycy wyświetlacza. Kryształy LCD tworzące panel nie emitują światła, w zamian za to charakteryzują się transparentnością zmienną w funkcji przepływającego przez nie sygnału elektrycznego. W celu uzyskania obrazu konieczne jest zatem umieszczenie za panelem LCD źródła światła, np. matrycy diod LED. Tradycyjnie diody LED umieszczane były jedynie na krawędzi wyświetlacza – pozwalało to na uzyskanie równomiernego oświetlenia całego obszaru ekranu, pozbawiało jednak możliwości całkowitego zaciemnienia poszczególnych obszarów ekranu. Z tego powodu niemożliwe było wyświetlenie prawdziwie czarnego koloru – widoczny był on raczej jako barwa zbliżona do ciemnych odcieni szarości.
W nowszych i bardziej zaawansowanych modelach wyświetlaczy problem ten rozwiązano poprzez przeprojektowanie systemu podświetlenia ekranu. Oświetlenie krawędziowe zastąpiono matrycą LED z diodami umieszczonymi równomiernie na całej powierzchni wyświetlacza. Układ sterowania jest w stanie niezależnie wyłączać poszczególne diody lub ich zbiory składające się z niewielkiej liczby umieszczonych obok siebie elementów. Metoda ta, określana jako strefowe wygaszanie, pozwala na uzyskanie znacznie większej głębi czerni oraz lepszego kontrastu obrazu. Wiąże się z jednak z konstrukcją znacznie bardziej skomplikowanego systemu zasilania, wymaga ponadto większego użycia energii elektrycznej. Wymusza to na konstruktorach niezwykle staranną optymalizację pracy systemu zasilania, zapewniającą wysoki stopień ochrony przed uszkodzeniem, możliwie małą moc strat oraz skuteczny poziom odprowadzania ciepła generowanego w układzie.
W dalszym tekście przedstawiono przykład systemu zasilania układu wyświetlacza TFT-LCD przeznaczonego dla branży automotive. Ekran ma podświetlenie matrycowe ze strefowym wygaszeniem, zaś dzięki zastosowaniu korekcji gamma charakteryzuje się dużym kontrastem obrazu. Podstawowe cechy przedstawionego systemu zasilania to niski poziom emisji elektromagnetycznej, niewielki rozmiar oraz wysoka sprawność. W skład systemu wchodzi układ korekcji gamma, wielokanałowy zasilacz TFT generujący sygnał zasilający panel LCD oraz zestaw regulatorów wysokiego i niskiego napięcia dla potrzeb matrycy LED.
System zasilania wyświetlacza TFT-LCD
Najczęściej wykorzystywanym we współczesnych modelach pojazdów typem wyświetlacza jest kolorowy ekran TFTLCD. Układy te rozpowszechniły się ze względu na swoją wysoką jasność, rozdzielczość, rozsądny koszt oraz dużą niezawodność. Jest to technologia bardzo dobrze sprawdzona, dojrzała, która wielokrotnie dowiodła już swojej użyteczności w wymagającym środowisku systemów automotive. Jak już wspomniano, wyświetlacz tego typu zbudowany jest z ciekłych kryształów, które mają zdolność do zmiany wartości swojej transparentności pod wpływem przyłożonego do nich napięcia elektrycznego. Do każdego subpiksela wyświetlacza poprzez tranzystor TFT (działający jako przełącznik) dostarczane jest napięcia sterujące jego pracą. Jeden piksel ekranu składa się z trzech subpikseli w podstawowych kolorach: czerwonym, zielonym i niebieskim.
Na rysunku 3 przedstawiono główne elementy systemu zasilania wyświetlacza. Układ sterownika LED kontroluje pracę diod podświetlających. Wielokanałowy zasilacz umożliwia pracę matrycy LCD oraz układu korekcji gamma, zaś jego praca sterowana jest przez mikrokontroler. Dodatkowe regulatory napięcia zapewniają pozostałe wartości napięć niezbędne w układzie.
Podświetlenie matrycowe LED
W omawianym przykładzie wyświetlacz o przekątnej 12,3 cala oświetlany jest przez matrycę składającą się z 256 diod LED. Matryca ta podzielona jest na 64 strefy, po 4 diody LED każda. Osiągnięcie efektu wygaszania strefowego wymaga zatem jedynie czterech 16-kanałowych sterowników LED. Każda z grup LED ma konfigurację 2s2p, co oznacza dwie pary szeregowo połączonych diod połączone równolegle. Dzięki takiemu ułożeniu awaria pojedynczej diody nie powoduje wyłączenia z użytku całej strefy wyświetlacza. Maksymalny spadek napięcia na każdej z diod wynosi 3,5 V, zaś niedopasowanie napięcia nominalnego pomiędzy poszczególnymi diodami zawiera się w zakresie ±50 mV.
Wyjście jednego z szesnastu kanałów sterownika przedstawiono na rysunku 4. Układ sterownika (oparty na elementach MOSFET oraz wzmacniaczach operacyjnych) zasila pracę diod, zapewniając ochronę przed zbyt wysokim napięciem oraz zwarciem. Minimalne napięcie wyjściowe VOUT (na rysunku 4 oznaczone jako OUT16) wynosi w przedstawionym przykładzie 0,8 V.
Układ sterownika musi być w stanie poprawnie pracować w różnych warunkach otoczenia i przy zmiennym obciążeniu. Jednym z czynników stanowiących potencjalne zagrożenie dla tego komponentu jest wartość mocy rozpraszanej na wszystkich 16 kanałach pracujących jednocześnie. Typowa wartość rezystancji termicznej pomiędzy złączem a otoczeniem (junction-to-ambient thermal resistance) dla tego typu układów to 29°C/W, zaś maksymalna dopuszczalna temperatura otoczenia to 85°C. Aby ograniczyć moc strat (ilość rozpraszanego ciepła), należy ustawić najniższą możliwą wartość napięcia VDD. Rozważając najgorszą możliwą sytuację, różnica napięcia nominalnego pomiędzy dwoma strefami LED wynieść może 200 mV (+100 mV dla jednego układu i –100 mV dla drugiego obszaru).
Najgorszy możliwy przypadek zakłada, że spadek napięcia na jednym z obszarów LED wyniesie 7,1 V, zaś na pozostałych 15 obszarach będzie to 6,9 V. Jeśli napięcie VDD ustawione zostanie na poziomie 8,0 V, to VOUT, czyli napięcie wyjściowe kanału sterownika LED wyniesie 0,9 V (0,1 V powyżej minimalnej dopuszczalnej wartości) dla jednego z kanałów i 1,1 V dla pozostałych 15 kanałów.
Moc rozpraszana na elemencie wyniesie zatem P=(15·1,1 + 0,9)·60 mA =1,044 W.
Temperatura na złączach układu utrzymywać się będzie znacznie poniżej maksymalnej wartości 150°C: TJ = TA + R · P = 85 + 29×1,044 = 115,3°C.
Układ sterownika LED może poprzez pętlę ujemnego sprzężenia zwrotnego zarządzać pracą konwertera napięcia generującego wartość VDD, co pozwala na optymalizację pracy układu i redukcję mocy strat.
Sterownik LED
W przestawionej przykładowej implementacji do sterowania diodami LED stanowiącymi podświetlenie wyświetlacza wykorzystano układ 16-kanałowego sterownika (rys. 5). Dopuszczalna wartość natężenia prądu zasilania diody wynosi, w zależności od temperatury otoczenia, do 100 mA dla każdego z kanałów. Interfejs SPI umożliwia sterowanie pracą każdej z diod za pomocą mikrokontrolera. Układy sterowników tego typu mogą być łączone kaskadowo, umożliwiając kontrolę pracy bardziej rozległych systemów. W omawianym przykładzie do sterowania matrycą podświetlającą konieczne jest wykorzystanie czterech sterowników. Wartość jasności określana jest za pomocą 15-bitowego rejestru sterującego generowaniem sygnału PWM. Zastosowany układ, tak jak i inne tego typu rozwiązania, wyposażony jest w dodatkowe funkcjonalności pozwalające na obniżenie niepożądanej emisji elektromagnetycznej – rozpraszanie widma oraz wzajemne przesunięcie fazowe sygnału PWM generowanego przez poszczególne kanały. Ma również wbudowane zabezpieczenia przed przepięciem oraz przegrzaniem.
Wysokoprądowa przetwornica DC-DC
Jednym z elementów obwodu zasilania i sterowania podświetleniem LED z rysunku 5 jest przetwornica DC-DC. Przykładową implementację tego układu przedstawiono na rysunku 6. Tego typu przetwornik powinien charakteryzować się małą wartością prądu spoczynkowego oraz szerokim zakresem napięć wejściowych, gdyż pracuje bezpośrednio z sygnałem z akumulatora pojazdu. Wartość napięcia zasilania zmienia się w zależności od poziomu naładowania akumulatora oraz temperatury otoczenia.
Korekcja gamma
Terminem korekcji gamma określa się algorytm mający na celu lepsze dopasowanie zmian jasności obrazu do sposobu jego percepcji przez ludzkie oko. Percepcja ta jest nieliniowa – ludzki wzrok jest znacznie lepiej wyczulony na niewielkie zmiany w dolnych rejestrach jasności obrazu, jednocześnie nie będąc w stanie rozróżnić takich samych zmian dla punktów o wysokiej jasności. Korekcja pozwala na bardziej efektywne kodowanie jasności obrazu – chroni przed przydzieleniem zbyt wielu bitów dla bardzo jasnych punktów obrazu, nierozróżnialnych dla oka, w zamian za to poprawiając kontrast ciemnych obszarów.
W przypadku wyświetlaczy LCD korekcji gamma dokonuje się poprzez zmianę charakterystyki konwertera cyfra- analog dostarczającego poziomów napięć sterujących pracą ekranu LCD. Na wejście konwertera podawana jest cyfrowa wartość jasności, która następnie w sposób nieliniowy zamieniana jest na wartość napięcia zasilającego kryształy LCD. Nieliniowa konwersja dokonywana jest za pomocą zbioru napięć odniesienia generowanych przez obwody oparte na układach wzmacniaczy operacyjnych. Na rynku znaleźć można gotowe układy generatorów napięcia gamma – zależnie od typu, mogą one mieć ustalone lub programowalne poziomy napięć.
Podsumowanie
Zastosowanie podświetlenia matrycowego LED z lokalnym wygaszaniem oraz odpowiedniej korekcji gamma pozwala na uzyskanie znaczącej poprawy jakości obrazu oraz otrzymanie efektu zbliżonego do prawdziwej czerni. Implementacja tego typu rozwiązania wymaga wykorzystania rozbudowanego systemu zasilania, dostarczającego wielu stabilnych poziomów napięć – zarówno na potrzeby sterowania diodami LED, jak i ekranem LCD. W tym celu konieczne jest skorzystanie z szeregu regulatorów i konwerterów napięcia. Jeśli projektowany system przeznaczony jest do implementacji w pojeździe, należy również uwzględnić aspekty związane ze specyfiką głównego źródła zasilania, czyli akumulatora samochodowego – dużą niestabilność i szeroki zakres zmian napięcia wejściowego, jak również szeroki zakres zmian temperatury otoczenia.
Damian Tomaszewski
