数码相机TFT-LCD的背光及亮度调整方式设计
佛山普立科技 杨宏彦
TFT-LCD液晶面板主要是由两块无钠玻璃夹着一个由偏光板、液晶层和彩色滤光片构成的夹层所组成。偏光板、彩色滤光片决定了有多少光可以通过以及生成何种颜色的光线。TFT-LCD液晶显示器的缺点在于亮度、画面均匀度、可视角度和反应时间上与CRT 显示器有比较明显的差距。其中反应时间和可视角度均取决于液晶面板的质量，画面均匀度和辅助光学模块有很大关系。而液晶显示器的亮度主要取决于背光光源。
TFT-LCD的两种背光方式早期采用高压驱动氖管作为数码相机的背光光源，因为高压氖管的背光驱动线路复杂,要求驱动电压高,背光不均匀,已逐步淘汰。因此，高亮度发光二极管(LED)取代高压氖管成为TFT-LCD背光驱动的主流。半导体LED，尤其是氮化物白光发光二极管，具有如下优点_体积小、电压低、寿命长、回应快、无频闪、耗能少、发热少等，正逐渐成为新一代绿色、节能、环保、长寿命全固体照明光源。TFT-LCD液晶背光源现已几乎全部使用 LED背光光源。
背光LED的电流驱动TFT-LCD背光亮度调整及驱动的两种方法：背光电流驱动电路，如图1所示。
图1 背光电流驱动电路说明：
（1）VD：TFT-LCD背光工作直流电源，大小依LCD厂商提供的规格设计。
（2）三极管Q1，Q2组成一个恒流源电路，Q1 Q2 工作在放大状态，当Q2工作时，调节B极电阻R22使Q2的C极电流达到额定电流值。因为LED发光二极管，导通后内阻会变小，电流会逐渐增大，增加Q1 目的是分流Q2的B极电流，调节反馈电阻R20就可以控制流过背光发光二极管的电流并通过Q1 使电流达到稳定。
（3）LCD_BL是CPU 控制信号,此信号为方波, 信号频率是固定的,例如7.5KHz。通过软件调节改变信号占空比,控制Q2 导通时间,可控制单位时间内流过发光二极管的电流,改变TFT-LCD的亮度。
(4) TFT-LCD亮度设定一个默认值0,将亮度分为7~11 个等级,即-5/-4/-3/-2/-1/0/1/2/3/4/5，如厂商提供的LCD背光电流标称值为20mA,则意味调整背光电流最好不要超过此值太多,否则对背光LED寿命有影响。由于背光LED单体差异,当工作电流小于标称值时,LED的发光亮度差异比较大。下表数据为某相机使用以上电路作为 TFT-LCD 背光亮度调整对,对同一款TFT-LCD测试获得的数据。
LCD背光测试资料
LCD亮度等级-5 0 5
电流电压电流电压电流电压
1 # 4mA 13.5V 4mA 13.5V 15mA 13.5V
2 # 4mA 13.5V 4mA 13.5V 16mA 13.5V
3 # 4mA 13.5V 15mA 13.5V 19mA 13.5V
4 # 5mA 13.5V 17mA 13.5V 21mA 13.5V
备注_亮度等级_-5, LCD_BL duty=30%0 default ,LCD_BL duty=60%-5, LCD_BL duty=95%从以上测试结果资料发现,在default 0 时,1#和2#级LCD亮度是低于亮度要求标准,(亮度标准不小于250 cd/m2,表中只列出背光电流值,没有列出测试的亮度数值)并且工作电流远小于规格要求。
(5)相机背光亮度软件设定的default 0,采用输出占空比为60%~70%,在此默认值情况下调节电路,使背光电流恒定在厂商要求的规格（如20mA）可以确保TFT-LCD亮度值比较稳定。
以上电路虽然线路简单,软件调整方便,但实际效果不理想, 因为背光LED差异,很难确保TFT-LCD亮度控制的一致性。新一代相机都使用恒流源背光,用软件调整信号幅度来实现亮度调整。
背光恒流驱动电路，如图2所示。
图2 背光恒流源驱动电路MAXIM公司
MAX1567 是许多数码相机使用的一款电源芯片，它内部集成有六个通道,可提供六路电源给相机使用,软启动电路也集成在IC内部,确保在开机时不会出现大电流。其中 MAIN、SET-UP、SET-DOWN三个通道的MOSFET都集成在IC内部，为PCB设计小型化提供了方便,DL1~DL3三个通道根据设计者的要求可做为升压型或降压型电路使用，其中DL3通道又可做为一个背光恒流源通道使用。以TOPPLY公司的TP018A LED为例，规格要求背光电压为10.5V,电流为20mA,所以电路设计选用升压型电路,为确保电池在低电压状态下能够比较容易开机，电感L计算后选取 3.3uH,使升压型电路工作在非连续模式。
说明：(1)升压电路输出电压调节:电阻R1, R2 串联到地,R2 上的分压反馈给ICPIN1脚,此脚内部OFFSET电压为1.25V,要求电流小于100nA,电阻R1和R2计算如下：
VOUT=10.5V,
ILEAKCURRENT= VOUT/R1<100nA, 则R1>105ＭΩ,选取R1=110ＭΩ
由VFBH=VOUT*R2/(R1+R2)=1.25，计求得R2=14.8ＭΩ，
(2)电流反馈回路电阻选取: TP018A LED背光电流为20mA,PIN39为电流反馈端,内部OFFSET电压为0.2V,输入阻抗非常大,电阻R接近于串联在背光LED电路中,可得出R=10Ω。
(3)恒流调节过程:当FB3L脚OFFSET电压为0.2V时,说明背光电流达到规定值20mA,当PIN39引脚反馈电压小于0.2V时,即背光电流未到规定值,则升压电路控制端PIN35 输出的控制信号占空比增大,使输出电路电压升高,从而提高驱动电流,达到恒流设计的20mA为止。
(4) 在设计测试过程中发现,因TFT-LCD单体差异,即使背光电源达到规定要求的10.5V,电流也未必达到20mA,所以亮度会有差异。解决的办法是升压电路输出电压设计值要比规定要求的10.5V高一些,根据测试调节值分析,比规定值高出2~3V比较合适。依VOUT=13.5V设计,求得R1= 140ＭΩ,R2=14.2ＭΩ。从而确保TFT-LCD背光亮度的一致性,此设计通过生产验证达到设计目的。
(5)TFT-LCD输入信号一般有模拟及数字两种方式,对于模拟输入信号,通过软件调节R,G,B三基色信号的幅值,并由示波器测量可达到控制亮度的目的。具体软件调节方式的软件程序在此不详细列出。
结语
通过以上TFT-LCD背光亮度调整及驱动两种方式的分析, 第二种TFT-LCD背光恒流电路及软件亮度调整是一种比较理想的方式,在数码相机应用中得到了验证,是一款比较合理的解决方案。
本文摘自《EDN电子设计》
