CN101282610A

CN101282610A - 一种平面荧光灯的调光方法

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Publication number: CN101282610A
Application number: CNA2008100181637A
Authority: CN
Inventors: 刘震; 熊博; 胡文波; 巫时锋; 孙永魁
Original assignee: Xian Jiaotong University
Current assignee: Xian Jiaotong University
Priority date: 2008-05-09
Filing date: 2008-05-09
Publication date: 2008-10-08
Anticipated expiration: 2028-05-09
Also published as: CN101282610B

Abstract

本发明公开了一种平面荧光灯的调光方法，其特征在于，对输入的视频图像进行APL检测，当检测到输入图像的平均亮度等级较高时，通过调节输入电压和采用一种或者几种频率的脉冲信号相混合的方法，并调节该混合频率脉冲期在整个工作周期中的比例来实现调光。本发明一方面可以避免由于在停止期出现多次振荡导致电路损耗增加，从而降低了系统功耗，提高了发光效率；另一方面可以实现宽范围的亮度调节。

Description

一种平面荧光灯的调光方法

技术领域

本发明涉及一种调光方法，尤其涉及一种可用作液晶显示器背光源和普通照明光源的无汞平面荧光灯的调光方法。

背景技术

近年来，在显示领域，液晶显示器件(LCD)得到了越来越广泛的应用，但是由于液晶显示器件属于非主动发光型器件，要显示图像，需要背光源。传统的LCD背光源采用冷阴极气体放电灯(CCFL)，CCFL的优点在于其发光效率比较高，但是由于CCFL采用汞作为工作物质，因而对环境会造成污染，另一方面，由于CCFL的响应时间比较长，因而在显示某些图像时，存在着瑕疵。

现阶段由于对环境问题的重视，因而人们开始研究可替代CCFL的背光源，在众多可选的器件中，平面荧光灯(Flat Fluorescent Lamp)以高发光均匀性、低响应时间、长寿命以及无污染等优点受到了广泛的关注，目前国内外很多公司和机构都对其进行了深入的研究，并且在液晶背光源领域得到了实际的应用。

平面荧光灯的电极结构特性决定了不能单个地对显示图像区域进行控制，因而在显示一些亮度比较低的图像时，为了降低整机的功耗，必须能够对背光源的亮度实现调节。目前普遍采用的调光方法主要有如下几种：(1)调宽方式：调宽方式即调节脉冲波形占空比的方式。在低输入电压条件下，占空比对亮度的影响较小，因而通过调节占空比的方法来实现亮度调节的范围比较小，而在高输入电压条件下，调节占空比的效果虽然比较明显，但是在这种情况下，对后级MOS器件的耐压要求就比较高，另一方面，如果要实现宽范围的亮度调节，所需的占空比范围要足够宽。(2)调频方式：由于平面荧光灯的亮度受开关频率的影响，在输入电压和占空比恒定的情况下，平面荧光灯的亮度随着开关频率的上升而降低。如果要实现较宽范围的亮度调节，相应地调频范围也必须足够宽(比如将频率设定为40kHz～100kHz)，但是在如此宽的频率范围，对磁芯材料的选取以及开关管栅极驱动电路和电子控制装置的设计增加了难度，另一方面，输入滤波器部分的设计也必须满足上述的工作频率范围，这也使得滤波电路的设计较为困难。(3)调压方式：调压方式是采用调节前级输出电压也即调节后级逆变器输入直流电压的方式来实现的。调压方式导致前级变压器的设计难度增加以及潜在的可能导致的控制稳定性问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种平面荧光灯的调光方法，可以根据对图像亮度检测的平均图像等级(APL-Average Picture Level)，通过综合调节调光电路的参数，如输入电压、开关频率和占空比使平面荧光灯的输出亮度增加或降低，实现实时对平面荧光灯的亮度进行调节，从而可以克服现有单一调光方法所存在的缺陷，有效降低背光源系统的功耗，改善显示的画质。

为达到以上目的，本发明是采取如下技术方案予以实现的：

一种平面荧光灯的调光方法，其特征在于：对输入的视频图像进行APL检测，对应不同的APL值，将检测的APL值量化为12个用二进制数表示的不同的亮度等级；即0000对应为最低亮度等级，1011对应最高亮度等级，然后根据上述的亮度等级信号，在输入电压一定的情况下或输入电压可变的情况下，通过“混合频率”调光方式来调节开关管的驱动频率和占空比。

上述方法中，所述在输入电压一定情况下的“混合频率”调光方法是，采用至少一种频率高于原控制信号频率的脉冲信号或混合脉冲信号来填充有效工作脉冲周期T_w之间的一个脉冲停止期T_d，并调节该停止期在整个工作周期T_w中的比例来实现调光。

所述在输入电压可变情况下的“混合频率”调光方法是，采用至少一种频率高于原控制信号频率的脉冲信号或混合脉冲信号来填充有效工作脉冲周期T_w之间的一个脉冲停止期T_d，同时在该停止期T_d减小输入电压，并调节该停止期在整个工作周期T_w中的比例来实现调光。

所述在输入电压一定情况下的“混合频率”调光方法是，对应由低到高的不同亮度等级0000～1011，分别采用一种至多种，且频率依次降低的脉冲信号相混合的混合驱动信号，并改变混合驱动信号中低频部分所占的比例或者填充的高频部分所占停止期T_d的比例来实现调光。

所述在输入电压可变情况下的“混合频率”调光方法是，对应由低到高的不同亮度等级0000～1011，分别采用依次升高的不同输入电压；同时分别采用一种至多种，且频率依次降低的脉冲信号相混合的混合驱动信号，并改变混合驱动信号中低频部分所占的比例或者填充的高频部分所占停止期T_d的比例来实现调光。

在占空比和开关频率恒定情况下，由于平面荧光灯的亮度随输入电压的升高而升高；而在输入电压和占空比恒定的情况下，亮度则随开关频率的升高而下降。传统的调光方法采用单独或同时改变这些参数，以达到调节亮度的目的。然而由于前述的频率范围不易过大和占空比限制的原因导致采用传统的调光方法时其调光范围非常小。为实现较宽范围的亮度调节，本发明结合“脉冲密度调制(Pulse Density Modulation)”的调光原理，并依据电路特性对其进行了改进。提出了一种“混合频率”的调光方案。本发明的调光方法的原理基于通过改变单位时间内的脉冲数来调节平面荧光灯的亮度。通过调节输入电压和采用不同频率的低频脉冲混合并改变高频或者低频成分所占的比例便可以实现宽范围的亮度调节。采用此种方法可降低在停止期T_d期间由于振荡所导致的电路损耗，同时能实现宽范围的亮度调节。同传统的调光方法相比，本发明的调光方法可以实现更大范围的亮度调节，因而可以得到更好的显示效果。

附图说明

图1为一种典型的平面荧光灯的驱动电路结构及主要工作波形。其中：图1(a)所示为单极性脉冲驱动波形；图1(b)所示为产生上述波形的典型的驱动电源电路，该电路采用反激式结构，其中Lp表示初级电感，D1，C1分别为开关管Q1的体内等效二极管和寄生电容或者外部并接二极管或者电容。图1(c)为图1(b)电路各关键点的工作波形，其中V_out为次级输出电压，i_out为次级输出电流，i_Lp为流过Lp的电流，Q1为开关管的控制信号。在t₀～t₁时间段，当Q1导通时，输入电压Vin直接加在Lp两端，因而Lp中的电流i_Lp线性增加；在t₁时刻，当Q1关断时，充电电流逐渐减小，积累的励磁能量对C1进行充电，随着充电过程的进行，当充电电流开始反向的时候，C1上的电压达到某一个最大值，其后电路处于自由正弦振荡状态，在正弦振荡的负半周期，当Q1仍然保持断开状态时，由于内部二极管D1的钳位作用，Q1漏极电压被钳位到地，一部分能量通过Lp反馈到电容C₀中。由于在开关管Q1断开时，初级发生正弦振荡，因而关断期间必须满足如下关系式：

T_off＝t₃-t₁＞t_w (1)

上式中t_w为次级输出窄脉冲宽度。如果占空比过高，就会在关断期间出现多次振荡，导致电路损耗的增加。

图2为传统的“调频”调光方案示例图。由于在输入电压和占空比固定时，亮度随开关频率的升高而降低，因而通过改变工作频率可以实现不同的亮度等级。在亮度等级高时，可以降低工作频率，则后级输出电压波形的幅值随之升高，由于亮度和后级输出电压波形的幅值成正比关系，因而降低工作频率可以实现高亮度输出。但这种单纯通过改变频率、占空比或者输入电压来实现调光的方法，其调光范围相对较窄，仅能实现100％～60％亮度调节。

图3为传统的“脉冲密度调制”调光方法的示例图。其调光原理如图3(a)所示，其中T_d为停止期，在此期间电路处于不动作状态，T_w为外加脉冲的整个工作周期，通过改变T_d在整个工作周期T_w中的比例，便可以实现宽范围的亮度调节。该方案虽可实现低于50％的亮度的调节，但如果停止期时间T_d过长，则有可能导致在后级开关管关断期间出现多次振荡，如图3(b)所示，此振荡的后果一方面会导致电路损耗的增加，另一方面当开关管Q1在t7时刻导通时，由于开关管Q1漏源极两端存在着较大的电压差，因而导致Q1开关损耗增大，使电路转换效率降低造成调光范围减小。

图4为平面荧光灯的亮度特性与驱动电源的开关频率、占空比以及输入电压之间的关系曲线。从图中可看出，在占空比恒定的情况下平面荧光灯的亮度随着开关频率的升高而降低；随着输入电压的升高而升高。由于平面荧光灯的亮度受上述参数的影响，因而可以通过调节开关频率或者输入电压或者占空比的方法来实现调光，或者通过改变脉冲密度的方法来实现调光。

图5为本发明提出的“混合频率”调光方案示例之一。

图6为本发明提出的“混合频率”调光方案示例之二.。

图7为本发明提出的“混合频率”调光方案示例之三。

图8为本发明提出的“混合频率”调光方案示例之四。

图9为基于本发明调光方法的调光装置。

图10为图9中驱动模块的电路原理图。

具体实施方式

下面结合附图5-附图10及具体实施例对本发明的内容作进一步的详细说明。

首先，根据输入的图像计算出每帧图像的APL值，由计算出的APL值，将其在可调光的范围内按照亮度分为n个亮度等级。上述的亮度可调范围是指对于平面荧光灯而言在其安全工作区间内最大输出亮度和最低亮度之间的区域，满足关系式

L_max＝L_min+n×m (2)

其中m为常数即调光范围内每一级亮度的改变量。比如在亮度范围3000cd/m²到6000cd/m²的范围内，可将其均匀分为12个亮度等级，根据检测的APL值，将其量化为对应的亮度等级，其量化的方式如下表1所示。

表1APL的量化方法

APL	量化亮度等级	APL	量化亮度等级
APL	量化亮度等级	APL	量化亮度等级	100％	1011	40％＜APL＜50％	0101
90％＜APL＜100％	1010	30％＜APL＜40％	0100	100％	1011	40％＜APL＜50％	0101
90％＜APL＜100％	1010	30％＜APL＜40％	0100	80％＜APL＜90％	1001	20％＜APL＜30％	0011
70％＜APL＜80％	1000	10％＜APL＜20％	0010	80％＜APL＜90％	1001	20％＜APL＜30％	0011
70％＜APL＜80％	1000	10％＜APL＜20％	0010	60％＜APL＜70％	0111	0％＜APL＜10％	0001
50％＜APL＜60％	0110	0(全黑)	0000	60％＜APL＜70％	0111	0％＜APL＜10％	0001

此时调节电路的参数(输入电压、开关频率等)来实现对应亮度的输出。

如图5所示，本发明提出的“混频”调光方法示例一，其中横轴t表示时间轴，纵轴分别表示输入电压V_in和开关管Q1的控制信号。由于平面荧光灯的亮度随开关频率的降低而升高，随输入电压的升高而升高，因而可以采用一种或者几种较高频率的控制信号来填充图5(a)中有效的较低频率工作脉冲之间的周期T_w中的停止期T_d，同样通过改变T_d在整个工作周期T_w中所占的比例，可以实现宽范围的亮度调节。具体的调光实现方法如下：

在输入电压V_in一定的情况下，由于平面荧光灯的亮度随着开关频率的降低而升高，因而当检测到输入图像的亮度等级较高时，如亮度等级为11，即1011时，可以采用较低的工作频率f1，而当检测到的图像的亮度等级下降时，可以采用一种较高的频率信号f0(f0＞f1)来填充上述的停止期T_d。通过改变低频或者填充的高频部分所占时间T_d在整个工作周期T_w中的比例来实现宽范围的亮度调节，当填充的高频部分所占时间T_d的比例由0～90％增加时，采用此种方法可以实现100％～30％亮度调节。

图5(b)所示为结合调节输入电压的调光方法。具体的：由于平面荧光灯的亮度随着开关频率的降低而升高，随着输入电压的升高而升高，因而当检测到输入图像的亮度等级较高时(如1011)，可以采用较低的工作频率f1和较高的输入电压V1，而当检测到的图像亮度等级下降时(如1010)，可以采用一种更高的频率信号f0(f0＞f1)来填充上述的停止期T_d，同时在频率为f0的时间段T_d采用较低的输入电压V2(V2＜V1)。由于在频率为f0的停止期T_d采用相对较低的输入电压V2，此时次级输出电压小于气体的击穿电压，因而不会引起放电，这种情况下，可以通过调节低频部分或者填充的高频f0部分所占的比例来实现单位时间内脉冲数的调节达到亮度调节的目的，采用此种方法可以实现100％～5％的亮度调节。

另一方面由于在停止期T_d采用较低的输入电压V2，因而同图5(a)所示的调光方法相比，可以进一步降低开关管Q1在停止期T_d的损耗(约4％)，从而提高了电路的转换效率和系统的发光效率。

上述调光方法中，驱动控制信号中低频部分所占的比例越大，亮度越高，同理包含的高频部分越多，亮度越低。采用这种方法目的就是为了避免图3(b)中提到的当停止期时间T_d过长，由于振荡等原因导致的电路损耗的增加。

如图6所示，本发明提出的“混频”调光方法示例二，其中图6(a)横轴表示时间轴，纵轴分别表示亮度等级、输入电压、开关管Q1的控制信号以及次级输出电压波形。在输入电压一定的情况下，平面荧光灯的亮度随开关频率的升高而降低，因而可以通过不同频率的组合来得到不同的亮度等级。比如当检测到输入图像的平均图像亮度等级为0，即0000时；此时可以采取较高的工作频率f1，而当检测到输入图像的平均图像亮度等级为1，即0010时，则可以采用工作频率为f1和f2的混合频率来驱动，同理当检测到输入图像的平均图像亮度等级为3，即0011时，则可以采用开关频率f1、f2和f3组合(f1＞f2＞f3)，依此类推。可以采用一种或者几种频率相混合并改变混合频率中低频部分所占的比例或者填充的高频部分所占时间T_d的比例便可实现大范围的亮度调节。这种方案能够减少在停止期时间T_d由于电感和电容发生多次振荡等原因引起的电路损耗，另一方面通过改变混合频率中低频部分所占的比例或者填充的高频部分所占时间T_d在整个工作周期T_w中的比例可以做到宽范围和更加细致的调光，其亮度调节范围可达100％～30％。在这种调光方法中，驱动控制信号中所包含的频率较低的部分越多，亮度越高，同理包含的高频部分越多，亮度越低。图6(b)与图6(a)所示的调光方法不同之处在于，其不仅可以采用不同频率和占空比的脉冲相混合，而且可以随着检测到输入图像的平均亮度等级APL值的增加，改变电路的输入电压(相应增加)，以得到最佳的亮度调整方案。同图6(a)所示的调光方法相比，本调光方法可以进一步降低损耗，同时可以实现100％～10％的亮度调节。

如图7所示，本发明提出的“混频”调光方法示例三，其中横轴表示时间轴，纵轴分别表示输入电压和开关管Q1的控制信号。本调光方法不同于上述图5和图6所示调光方法的特殊之处在于，在高亮度等级时采用较高输入电压和较高的工作频率f1，而在低亮度等级时，采用一种或者几种相对较低的频率控制信号来填充图3(a)中有效的较高频率工作脉冲之间的停止期T_d，同时在停止期降低输入电压。同样通过改变T_d在整个工作周期T_w所占的比例，便可以实现宽范围的亮度调节。图7所示的调光原理及实现方法如下：由于人眼具有视觉滞留特性，因而可以通过调节单位时间内光脉冲的个数来实现亮度的调节。当输入图像的亮度等级较高时，采用较高的工作频率f1和较高输入电压V1，此时在人眼视觉滞留特性的作用下，其感知的亮度也较高。而当输入图像的亮度等级较低时，采用较低频率f2(f2＜f1)和相对较低的输入电压V5与之相混合。由于在较高的工作频率f1的作用下，在单位时间内，频率较高的部分所包含的脉冲数较多，因而在人眼视觉滞留特性的作用下，其输出的亮度也较高。同样，通过调节输入电压V_in和改变低频部分f2所占的比例，便可以实现宽范围的亮度调节。另一方面，由于在时间段T_d内低频f2部分采用较低的输入电压V5，因而降低了在此期间开关管Q1的导通损耗，提高了电路的转换效率。

如图8所示，本发明提出的“混频”调光方法示例四，其中横轴表示时间轴，纵轴分别表示亮度等级、输入电压、开关管Q1的控制信号以及次级输出电压波形。其中图8(a)所示为，当检测到输入图像的亮度等级为11级时(1011)，可以采用较高的工作频率f1和较高输入电压V1，而当检测到输入图像的亮度等级降为10级(1010)时，采用较低频率(f2和f3)与之相混合，同时降低在混合低频期间的输入电压。依次类推，通过调节输入电压和采用不同频率的低频脉冲混合并改变高频或者低频成分所占的比例便可以实现100％～20％的亮度调节，解决了采用单纯调压方式亮度调整范围过窄的缺点。图8(b)的调光方法与图8(a)的不同之处在于在显示低亮度时，在采用较低的频率与一种较高的频率f1混合的同时，降低整个混合脉冲工作期间输入电压的方法来实现不同亮度的输出。由于平面荧光灯的亮度随着输入电压的降低而降低，因而与图8(a)所示的调光方法相比，可以实现100％～10％的亮度调节。

图9所示为基于本发明方法提出的调光装置。其中模块100为APL检测电路，该电路的功能是对输入视频图像进行APL检测，根据检测的APL值，并将检测的APL值量化为以二进制数表示的(A0，A1，A2，A3)亮度等级；然后经光隔离电路110将上述的亮度等级信号发送至微控制处理器或者单片机模块120，模块120根据接收到的亮度等级信号读取对应的外部存储单元130中存储的已被量化的电压和开关频率数据信号并发送至数模转换模块140，数模转换模块将接收到的数字信号转换为开关频率、占空比和输入电压所对应的电压信号V_f、V_d和V_i输出至驱动模块150。

图10示出了图9中驱动模块150的电路原理图。该电路包括升压电路模块300和后级的反激逆变模块400。模块301为前级升压电路的控制模块，模块401为后级电路的控制模块。图9中的模数转换模块140产生的电压信号V_f送至电压/频率转换模块402，电压信号V_d送至比较器单元403，电压V_i送至前级升压电路部分的比较器单元302。电压-频率转换模块402将接收到的电压信号转换为频率信号f_sw并送至后级控制单元401，电压信号V_d作为比较器403的基准电压，当电压-频率转换模块402产生的锯齿波信号的幅值高于该基准电压时，比较器403反转，从而实现脉宽的调节，比较器403输出的脉宽信号送至后级控制单元401，后级控制单元401根据上述产生的频率和脉宽信号产生驱动后级逆变器开关Q1的控制信号；电压V_i作为前级比较器302的基准电压，当反馈采样电阻R2上的分压超过该基准电压时，比较器302反转，前级控制单元301根据比较器302的输出电压来调节前级脉冲信号的脉冲宽度，从而实现对前级输出电压的控制。

综上所述，本发明提出了一种平面荧光灯的调光方法及调光装置，采用本发明提出的方法和装置，一方面可以降低在停止期T_d由于发生多次振荡等原因所产生的电路损耗，提高了电路的转换效率；另一方面可以实现大范围的亮度调节。

Claims

1、一种平面荧光灯的调光方法，其特征在于：对输入的视频图像进行APL检测，对应不同的APL值，将检测的APL值量化为12个用二进制数表示的不同的亮度等级，即0000对应为最低亮度等级，1011对应最高亮度等级；然后根据上述的亮度等级信号，在输入电压一定的情况下或输入电压可变的情况下，通过“混合频率”调光方式来调节开关管的驱动频率和占空比。

2、如权利要求1所述的平面荧光灯的调光方法，其特征在于：所述在输入电压一定情况下的“混合频率”调光方法是，采用至少一种频率高于原控制信号频率的脉冲信号或混合脉冲信号来填充有效工作脉冲周期T_w之间的一个脉冲停止期T_d，并调节该停止期在整个工作周期T_w中的比例来实现调光。

3、如权利要求1所述的平面荧光灯的调光方法，其特征在于：所述在输入电压可变情况下的“混合频率”调光方法是，采用至少一种频率高于原控制信号频率的脉冲信号或混合脉冲信号来填充有效工作脉冲周期T_w之间的一个脉冲停止期T_d，同时在该停止期T_d减小输入电压，并调节该停止期在整个工作周期T_w中的比例来实现调光。

4、如权利要求1或2所述的平面荧光灯的调光方法，其特征在于：所述在输入电压一定情况下的“混合频率”调光方法是，对应由低到高的不同亮度等级0000～1011，分别采用一种至多种，且频率依次降低的脉冲信号相混合的混合驱动信号，并改变混合驱动信号中低频部分所占的比例或者填充的高频部分所占停止期T_d的比例来实现调光。

5、如权利要求1或3所述的平面荧光灯的调光方法，其特征在于：所述在输入电压可变情况下的“混合频率”调光方法是，对应由低到高的不同亮度等级0000～1011，分别采用依次升高的不同输入电压；同时分别采用一种至多种，且频率依次降低的脉冲信号相混合的混合驱动信号，并改变混合驱动信号中低频部分所占的比例或者填充的高频部分所占停止期T_d的比例来实现调光。

6、如权利要求1所述的平面荧光灯的调光方法，其特征在于：所述在输入电压可变情况下的“混合频率”调光方法是，在亮度等级0000～1011中相对高亮度等级采用较高输入电压和较高频率的驱动脉冲；相对低亮度等级则采用至少一种频率低于原较高频率控制信号的脉冲信号或混合脉冲信号来填充有效工作脉冲周期T_w之间的一个脉冲停止期T_d，同时在该停止期T_d减小输入电压，并通过改变T_d在整个工作周期T_w所占的比例来实现调光。

7、如权利要求1或6所述的平面荧光灯的调光方法，其特征在于：所述在输入电压可变情况下的“混合频率”调光方法是，对应由高到低的不同亮度等级1011～0000，分别采用一种至多种，且频率依次降低的脉冲信号相混合的混合驱动信号，同时分别采用依次降低的不同输入电压与频率依次降低的脉冲信号周期相对应；并改变混合驱动信号中低频或高频部分所占的比例来实现调光。

8、如权利要求1或6所述的平面荧光灯的调光方法，其特征在于：所述在输入电压可变情况下的“混合频率”调光方法是，对应由高到低的不同亮度等级1011～0000，分别采用一种至多种，且频率依次降低的脉冲信号相混合的混合驱动信号，同时分别采用依次降低的不同输入电压与频率依次降低的混合脉冲信号周期相对应；并改变混合驱动信号中低频或高频部分所占的比例来实现调光。