LEDs für Displays ansteuern Verbesserter Kontrast dank analoger und digitaler Dimmverfahren

Autor / Redakteur: David Gamperl* / Dipl.-Ing. (FH) Hendrik Härter

Damit ein verbesserter Kontrast bei einem Display erreicht werden kann, wird bei einem speziellen IC für die LED-Hintergrundbeleuchtung auf das PWM-Signal eine analoge Stromsteuerung aufgesetzt.

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Auflösung und Kontrast: Moderne Treiberschaltungen für LED-Backlights kombinieren digitale und analoge Dimmverfahren.
Auflösung und Kontrast: Moderne Treiberschaltungen für LED-Backlights kombinieren digitale und analoge Dimmverfahren.
(Bild: eranicle/Fotolia.com)

Die Auflösung bei Displays für TV-Geräte aber auch für Displays im industriellen Umfeld steigt stetig und ist oft ein Kaufargument. Der Anwender ist bereit, Aufpreise für HD- (High-Definition-)Displays und für 4k-Displays zu zahlen. In den Startlöchern stehen bereits Modelle, die 8k-Auflösungen bieten. Hier allerdings für Endkunden oder für die medizinische Bildgebung. Neben der Auflösung spielt bei einem Display auch der Kontrast eine entscheidende Rolle, was sich seit der Einführung von HDR- (High-Dynamic-Range-)Displays zeigt. (Bild 1). HDR-Displays bieten einen wesentlich größeren Kontrast zwischen den hellsten Farben und den dunkelsten Schwarztönen.

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HDR-Displays benötigen ein helles Backlight

Für die Hersteller von HDR-Displays stellt die Entwicklung allerdings vor ein Problem bei der Systementwicklung: Der gewünschte hohe Kontrast erfordert eine besonders helle Hintergrundbeleuchtung, um die extrem hellen Bildelemente originalgetreu nachbilden zu können. Doch das Display muss sich auch niedrig dimmen lassen, um dunkle Bildelemente korrekt wiederzugeben. Gleichzeitig müssen die Hersteller strenge Vorschriften und Richtlinien einhalten: beispielsweise das Energy-Star-Programm des US-amerikanischen Energieministeriums, um den durchschnittlichen Energiebedarf eines Displays zu begrenzen.

Herkömmliche PWM-Methoden, um die Hintergrundbeleuchtung zu dimmen, erzielen bestenfalls ein Verhältnis von 1:1000 zwischen der höchsten und niedrigsten Helligkeit. Ein IC zum Ansteuern eines HDR-Displays, das ausschließlich digital PWM dimmt, mindert nicht nur die Bildqualität, sondern benötigt unnötig viel Energie. Notwendig ist ein neuer Ansatz, um die die LEDs für das Backlight anzusteuern, damit ein breiteres Spektrum zwischen den Spitzen- und Minimalhelligkeitsstufen bzw. eine granulare lokale Steuerung mehrerer Segmente der Display-Hintergrundbeleuchtung erreicht werden kann.

Eine komplexe Ansteuerung der LEDs ist erforderlich

Für tiefblaue, schwarze oder auch graue Farben muss das Backlight ausreichend gedimmt werden. Liegt die Spitzenhelligkeit bei 4000 cd/m² und ein herkömmlicher PWM-Controller bestenfalls auf 0,1% dimmen kann, dann ist die Minimalhelligkeit des Displays nicht niedrig genug. In der Praxis spezifizieren die Hersteller von HDR-Displays daher eine Spitzenhelligkeit von etwa 800 bis 1000 cd/m².

Mit diesem Kompromiss lassen sich sehr dunkle Farben besser wiedergeben. Eine rein digitale PWM-Steuerung liefert keinen Ausweg aus diesem Problem: Ein PWM-gesteuerter MOSFET hat eine bestimmte minimale Einschaltzeit, die unter anderem auch durch seine Schaltverzögerung bestimmt wird.

Ein weiterer limitierender Faktor ist, dass der LED-Controller selbst bei minimalem PWM-Tastverhältnis den LED-Strom sehr genau regeln muss, da große Abweichungen schnell sichtbar werden. Allerdings ist diese Regelung nicht unendlich schnell. Diese beiden Faktoren hindern PWM-Controller daran, auf weniger als 0,1 Prozent der Spitzenleistung zu dimmen.

Die Art der Hintergrundbeleuchtung des Displays wirkt sich auf den Kontrast und die Dimming-Anordnung aus. Viele Displays mit LEDs für die Hinterleuchtung sind kantenbeleuchtet: Wenn der Großteil des Bildes hell ist, wird die Hintergrundbeleuchtung für das gesamte Display mit voller oder fast voller Leistung betrieben. Und wenn der Großteil des Bildes dunkel ist, wird die Hintergrundbeleuchtung für das gesamte Display auf ein niedriges Niveau gedimmt.

Solch ein globales Dimming ist für HDR-Displays ungeeignet. Daraus folgt: Die HDR-Technik erfordert eine direkte Hintergrundbeleuchtung mit lokalem Dimming – eine Hintergrundbeleuchtungsarchitektur, die mehr LED-Kanäle und eine komplexere LED-Ansteuerung verlangt.

Die Helligkeit präzise auf den Inhalt des Bildes abstimmen

Durch die Aufteilung der Hintergrundbeleuchtung in Segmente kann die Helligkeit der Hintergrundbeleuchtung präzise auf den Inhalt des Bildes abgestimmt werden, das in dem von jedem Segment bedienten kleinen quadratischen Displaybereich angezeigt wird. Tiefdunkle Blau- und helle Weißtöne können somit gleichzeitig angezeigt werden.

Dieser Ansatz des lokalen Dimmmings erfordert eine Synchronisation des LED-Treibers mit dem Video- oder Grafikprozessor (GPU). Lässt das die Schnittstelle zwischen den Geräten zu, kann der Treiber für die Hintergrundbeleuchtung direkt von der GPU gesteuert werden.

Der LED-Controller AS3824 von ams ermöglicht lokales Dimming. Das Bild 2 zeigt, wie ein vertikales Synchronisationssignal (VSYNC = eine patentierte Funktion der LED-Controller von ams) eingesetzt werden kann, um den Bildinhalt mit dem LED-Controller zu synchronisieren. Damit lässt sich die Helligkeit zur exakten Zeit einstellen. Das Diagramm zeigt, dass in Frame 1 ein helles Bild ein sehr hohes PWM-Tastverhältnis in Segment 1 erfordert, während Segment n ein geringeres PWM-Tastverhältnis aufweist, weil es ein dunkleres Bildelement wiedergibt. In Frame 2 hat sich der Bildinhalt geändert was zur Folge hat, dass die Helligkeit der Segmente angepasst werden muss. Anweisungen für neue PWM-Tastverhältnisse in Segment 1 und Segment n werden von der GPU während Frame 1 gesendet, und die Signale der Segmente werden mit der ansteigenden Flanke von Frame 2 aufgefrischt.

Bild 2 zeigt eine Verzögerung zwischen der an-/absteigenden Flanke des VSYNC-Signals und der ansteigenden Flanke des PWM-Signals. Der erwähnte Controller ermöglicht es, die Verzögerung zu programmieren. Hierdurch kann der Display-Hersteller die Einschaltverzögerung der LCD-Pixel kompensieren, so dass die LEDs genau zur gleichen Zeit wie die Pixel eingeschaltet werden, wodurch die Bildqualität verbessert und der Stromverbrauch minimiert wird. Die Verzögerung der PWM-Einschaltung reduziert außerdem die Belastung der LED-Versorgungsspannung, so dass das System weniger Rauschen und Interferenzen erzeugt.

Analoges Dimmen steigert die Spitzenhelligkeit

Mehrkanal-LED-Controller wie der AS3824, mit dem sich 16 Kanäle individuell steuern lassen, ermöglicht eine granulare lokale Dimming von Display-Segmenten. Bis zu 32 der ICs lassen sich über SPI-Schnittstelle in Reihe schalten, um Displays mit mehr als 16 Segmenten zu steuern (Bild 3). Dennoch stehen die Hersteller von HDR-Displays weiterhin vor dem Problem, ein vernünftiges Kontrastverhältnis zu erzielen.

Wie lässt sich die Spitzenhelligkeit über 1000 cd/m² steigern und dabei gleichzeitig die Fähigkeit zur Wiedergabe sehr dunkler Farben beibehalten? Die Antwort ist eine analoge Methode des AS3824, um den PWM-gesteuerten Strom zu erhöhen. Hierdurch kann der vom PWM-Signal gesteuerte LED-Strom um einen Faktor von bis zu 8 über Ausgangsniveau erhöht werden, um die hellsten Segmente eines Bildes angemessen zu hinterleuchten. Gleichzeitig könnte der dunkelste Kanal einen analogen LED-Strom von 10 Prozent seines Basiswertes, eingeschaltet für das minimale PWM-Tastverhältnis (lediglich 0,1 Prozent), aufweisen.

Der Dynamikbereich des digitalen PWM-Signals des Dimming-Schemas bleibt unverändert, aber die zusätzliche Analogskala erweitert den gesamten (analogen und digitalen) Dynamikbereich (Bild 4). Das zusätzliche analoge Dimmen wird durch in den AS3824 integrierte DACs mit einem Referenzspannungsausgang ermöglicht, der vom Videoprozessor oder der GPU des Displays bestimmt wird. Die Referenzspannung an einem externen Widerstand steuert die Amplitude des LED-Stroms pro Kanal. Tatsächlich ergibt sich durch die Anwendung der analogen Stromsteuerung ein Stromschema, das auf gleichzeitiger Pulsweitenmodulation und Pulsamplitudenmodulation beruht.

Ein Baustein minimiert die Leistungsverluste

Der AS3824 kann eingesetzt werden, um FETs oder bipolare Transistoren anzusteuern. Wichtig ist, jedes externe Schaltnetzteil zu regulieren, damit dessen Ausgangsspannung an die Spannungsanforderungen der damit verbundenen LED-Strings angepasst wird. Eine zu hohe LED-Strangspannung verursacht an den externen Transistoren eine Verlustleistung und führt zur Überhitzung welche die Systemeffizient verringert.

Um das zu ermöglichen, funktioniert die DC-DC-Feedbackfunktion des AS3824 mit jeder Art von DC-DC-Wandler (Boost oder Buck) sowie mit anderen Wandlerarchitekturen wie LLC-Controllern. Der Ausgangsspannungsteiler der externen Stromversorung wird mit den Feedbackpins (FB) des AS3824 verbunden, dieser regelt dann VLED auf die minimale notwendige Ausgangsspannung für die LED-Stränge (Bild 5).

Das Timing der Feedbackfunktion ist per SPI vollständig programmierbar. Im manuellen Feedbackmodus kann die SMPS-Ausgangsspannung direkt über den AS3824 angepasst werden. Der Baustein hat immer die vollständige Kontrolle über die SMPS-Ausgangsspannung und hilft so, Leistungsverluste zu minimieren.

Die Implementierung einer LED-Hintergrundbeleuchtungssteuerung mit dem Baustein AS3824 ermöglicht es, eine granulare Mehrkanalsteuerung von direkt hintergrundbeleuchteten Displays sowie einen analogen und digitalen Dimmbereich zu entwickeln, der um ein Vielfaches größer als der eines üblichen LED-Hintergrundbeleuchtungs-Controllers mit ausschließlich digitalem PWM-Dimming ist. Das Ergebnis ist ein erheblich verbessertes Kontrastverhältnis, das die Wiedergabe der hellsten weißen Farben in einigen Displaysegmenten und gleichzeitig tief dunkelblauer und grauer Farben in anderen Segmenten ermöglicht.

* David Gamperl ist bei ams Produktmanager für das Power-Management und unter anderem für LED-Treiberbausteine zuständig.

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