逼真度/節能/尺寸缺一不可 便攜式裝置背光照明受重視

　　在便攜式裝置的背光照明設計所面臨的挑戰中，色域可以影響畫面的“逼真度”。

　　消費者希望在便攜式裝置上顯示的畫面能夠盡量接近實物或實景。同時，顯示器的耗電量也不能夠太大以免影響移動電話的使用時間，因此顯示器的節能技術也很重要。此外，從便攜式裝置的角度來看，顯示器尺寸絕對是重要的考慮因素。因此，為了滿足市場的需求并設計出成功的產品，今天的工程人員必須克服種種嚴峻的挑戰。

　　雖然冷陰極燈管(CCFL)/白光發光二極管(WLED)是目前較為普遍的顯示器背光照明設計技術，不過RGB LED背光照明設計正快速的崛起。以下將分別評估這兩種背光照明技術的優缺點以及所面臨的設計挑戰。

　　RGB完整滿足使用需求

　　目前大多數采用CCFL照明的顯示器，大約可以覆蓋40～76%的彩色電視廣播標準(NTSC)色域，而采用RGB LED背光照明技術的顯示器，其NTSC色域覆蓋率可超越100%，這是肉眼都可以分辨出來的差別。

　　但對比較高端的移動顯示器而言，存在著幾個主要的設計挑戰：究竟如何才可以重現最逼真的影像？如何在高效率及小尺寸條件下實現高畫質？以及如何解決掀蓋式電話和旋蓋式電話的背光照明設計問題。

　　一般而言，白光LED包含一個藍色或接近紫外光的發光芯片，上面涂有磷光劑材質，該磷光層會吸收從LED發射的光線，再以較長的波長發射出來。可是由磷光劑所產生的光子會有超過一半散射回LED芯片，導致很大部份的光線被吸收掉，導致白光LED的整體光輸出量減少(圖1)。

圖1　含磷白光LED的典型放射光譜

　　白光LED擁有一個很強的藍光波峰及一個比藍光低但較寬廣的磷黃光波峰，而不同的藍光及黃光強度組合便可產生不同的光線頻色，可以讓呈現的顏色比較白或比較藍。

　　如圖2所示，白光LED的光譜與彩色LCD的彩色濾光片并不匹配，導致部分能量耗散。此外，由于必須為WLED的光譜進行伽瑪校正(Gamma Correction)，因而損失了色彩的深度，尤其在紅色的部分。

圖2　WLED與彩色LED濾光片頻譜分配

　　RGB LED的回應(圖3)共有三個波峰，分別來自于紅、藍以及綠色的LED。每個波峰的振幅都可以獨立控制，從頻譜的比較可看到白光LED在紅光頻譜范圍內的響應較弱，因此這范圍內的視覺靈敏度也很低。

圖3　RGB 背光及LCD彩色濾光片

　　使用RGB背光照明技術的優點顯而易見，除了毋須加上黃色，也不必使用多色彩磷光層。另外，RGB背光照明技術擁有寬廣的色域(>100% NTSC)。此外，由于是采用光的三原色關系，它還可進行白點(即三原色重迭區域的中央位置)調節。

　　即使將流經LED的電流保持固定不變，LED的亮度(圖4)還是其作業溫度的一個函數，因此LED的光亮度會隨溫度的變化而呈現動態性變化，當中以紅色光的變化與溫度變化相關性最高。

圖4　LED亮度與溫度之關聯性

　　圖5中的“封閉式回路”控制可以確保整個工作溫度范圍內的白平衡，其中脈沖寬度調變(PWM)邏輯會根據周遭環境的溫度，然后透過改變PWM的工作周期(12位分辨率)為紅、綠及藍光LED進行光亮度補償。RGB的光度特性可由客戶預先程序化，并且燒錄在1kb的電子可擦寫可編程只讀存儲器(EEPROM)內存內。

圖5　燒錄在EEPROM內的RGB特性

　　RGB LED大幅提升效率

　　RGB背光照明的效率取決于三個因素，可以藉由采用可適性輸出電壓、加強LED的驅動能力--即加強PWM對LED電流的控制，以及減少紅光LED驅動器的損耗，以及彩色濾光片的傳輸能力等方面提升效率。

　　以市面上的升壓轉換器作為加強效率的一個實例可以看出，使用該轉換器后，即使遇上大的電壓增益和4.7微亨利(μH)、3毫米×3毫米×1毫米的小型電感器，系統都可得到卓越的效率。此外，可適性升壓控制能夠自動地以每級0.25伏特的幅度將輸出電壓調節到最小的要求，毋須為了遷就制程技術或溫度變化而為LED順向電壓(Vf)變化預留空間。

　　表1比較了WLED和非最佳化RGB LED驅動之間的效率。在整個測量過程中，WLED都以直流電壓去驅動，其結果會因為供電變化、測量設定以及儀器的不同而變化。結果顯示WLED的效率比非最佳化RGB驅動高出25～30%。

表1　未經最佳化RGB與WLED的比較

　　將RGB驅動中的PWM控制(表2)最佳化，效率可達到大約15%的提升，即使由于功率較高而導致PWM值在開始時較高，進而使背光照明的溫度提升到70℃。

表2　經最佳化RGB與WLED的比較

　　然而在較低的亮度下(即較低功率及溫度)，RGB在驅動效率方面的改善比WLED來得更好。同時，WLED的亮度會受溫度影響，RGB的亮度則可以保持穩定。

　　另外，在相同的色域條件下，由于RGB可以使用比較廣泛的彩色濾光片，使得其效率可進一步改善。因此，在相同的色域下，只要彩色濾光片的光傳輸率有10%的改善就可以為整。