CN101950548A - 背光源彩色led补色电路以及补色方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种背光源彩色LED补色电路及补色方法。采用白色LED灯作为背光源主要光源，橙色灯和蓝色灯作为补色光源。采样40种亮度情况下，得到标准白色光源时的3种LED调光数据，然后采用多项式线性拟合的方法得到3条调光曲线，再根据该关系进行调光，可以得到色温在6500K左右，色坐标u′＝0.198，v′＝0.468的标准白色光源。在温度变化时，根据颜色传感器数据，微调橙灯和蓝灯的PWM高电平时间维持红、绿和蓝3颜色通道数据的比例关系不变则色温恒定。本发明的优点是：补色后的背光源，具有色域宽的特点，显示器能够显示的颜色丰富，图像逼真。

Description

背光源彩色LED补色电路以及补色方法

【技术领域】

本发明涉及彩色液晶显示模块内的背光源，具体地说是涉及一种LED驱动电路以及补色方法。

【背景技术】

在航空液晶显示器领域，要求背光源可靠性高，随着LED(Light EmittingDiode，发光二极管)技术的成熟，LED逐渐取代CCFL(Cold CathodeFluorescent Lamp，冷阴极荧光灯管)作为背光源的主流。CCFL背光源和单色白灯LED背光源都存在缺色的问题，以这些背光源装配出的显示器显示白场时，色温与标准色温6500K相差较大，有的甚至相差1000K～1500K。以单色白灯LED作为主要光源，蓝色LED和橙色LED作为补色光源的背光，是目前关注的热点问题。

由于背光多颜色LED补色技术较新，目前采用什么具体算法来补色公开文献不多。在高亮度航空显示器领域，存在背光板温度变化大的特点，3种LED灯随温度变化衰减不一致，故此还存在动态补偿问题。

【发明内容】

本发明所要解决的技术问题在于提供了一种背光源彩色LED补色电路及使用该电路进行补色的方法。

本发明是通过以下技术方案解决上述技术问题之一的：一种背光源彩色LED补色电路，包括作为主控制器的FPGA、颜色传感器、上位机、三路线性恒流源，以及三路LED灯：橙灯、白灯、蓝灯；

所述颜色传感器、上位机、三路线性恒流源均连接到FPGA，每路线性恒流源分别驱动一路LED灯，所述FPGA采样颜色传感器的数据以控制三路线性恒流源的调光比例和亮度，FPGA通过串口与上位机进行通讯。

其中白灯作为主要光源，橙灯和蓝灯作为补色光源，补色蓝灯和橙灯与主要光源白灯的调光频率一致而占空比不同。

所述每路LED灯分别包括10串并联的LED灯，每串LED灯包括串联的8个LED灯，每路LED灯设置总和电流200mA。

本发明是通过以下技术方案解决上述技术问题之二的：一种背光源彩色LED补色方法，使用一种背光源彩色LED补色电路进行补色，所述补色电路包括作为主控制器的FPGA、颜色传感器、上位机、三路线性恒流源，以及三路LED灯：橙灯、白灯、蓝灯，所述颜色传感器、上位机、三路线性恒流源均连接到FPGA，每路线性恒流源分别驱动一路LED灯，所述FPGA采样颜色传感器的数据以控制三路线性恒流源的调光比例和亮度，FPGA通过串口与上位机进行通讯；使用该背光源彩色LED补色电路进行补色的步骤如下：

步骤1、混合光前的准备工作：

1)使驱动电压能够保证LED灯恒流所必需的电压输出；

2)使线性恒流源的输出电流具有导通时间上的一致性；

步骤2、在SS-230平板显示系统综合分析仪器上混合光：

1)调白光从低亮度到高亮度，橙灯和蓝灯也按比例逐渐增加，保证色温在6500±100K，色坐标u′＝0.198，v′＝0.468；

2)记录40组从低亮度到高亮度调光过程中，白灯、橙灯和蓝灯的调光PWM波形高电平持续时间的数据；

步骤3、数据拟合：

根据步骤2的数据可以得出在不同亮度情况下，3种灯的调光PWM高电平时间，

设W是白灯的PWM占空时间，L是亮度，则W与L满足函数关系：

W＝f₁(L)(1)

首先对L进行压缩，使式(1)中的自变量最大值在1左右，得到一个新的函数关系：

W＝f(L/1000)＝f(t)，式中t＝L/1000(2)

受光效和液晶屏光学膜组的影响，W与L的关系近似线性关系，采用线性多项式拟合的方法得出W与L的显式关系，线性多项式的阶次不宜超过5，

然后对式(2)在零点泰勒展开得：

W＝a₀+a₁t+a₂t²+a₃t³(3)

式(3)的a₀、a₁、a₂、a₃是三阶多项式的常系数，

根据40组数据和最小二乘法得出如下式(4)：

$Y=\underset{i=1}{\overset{40}{\mathrm{\Σ}}}{[W_i-(a_0+a_1{t}_i^1+a_2{t}_i^2+a_3{t}_i^3)]}^2---\left(4\right)$

为了得到式(4)的最小值，需要满足以下方程：

$\frac{\∂Y}{\∂a_0}=0,$ $\frac{\∂Y}{\∂a_1}=0,$ $\frac{\∂Y}{{\∂a}_2}=0,$ $\frac{\∂Y}{\∂a_3}=0---\left(5\right)$

根据式(5)的4个方程式可以求出a₀、a₁、a₂、a₃的值，橙灯和绿灯的拟合方法与此一样，经计算拟合出3种光的调光高电平时间与亮度的关系；

步骤4、颜色闭环控制：

根据步骤3所得到的拟合曲线，在背光灯温度恒定并且与作拟合曲线时的背光灯温度一致的情况下，在全亮度范围内调光得到标准白色光源，但是要保证背光LED灯温度不变是不可能的，随着LED灯温度变化，白灯、橙灯和蓝灯的衰减不一样，色温会有漂移现象；

记录颜色传感器在200个调光周期，即100ms内，红、绿和蓝三颜色分量输出的脉冲个数，这些数据作为3颜色分量的亮度值；

在温度变化时，根据颜色传感器测量出的红、绿和蓝三色亮度数据，微调橙灯和蓝灯的PWM波形高电平时间，使红、绿和蓝三色亮度比值恒定，则色温保持不变。

本发明的优点是：补色后的背光源，具有色域宽的特点，显示器能够显示的颜色丰富，图像逼真。

【附图说明】

图1为背光源彩色LED补色电路框图。

图2为白灯及配色彩灯PWM调光波形图。

图3为亮度与白、橙和蓝3种灯的调光占空比的关系。

其中：横坐标是亮度，单位Cd/m²；纵坐标是调光时间。‘+’表示白灯调光数据，‘O’表示橙灯调光数据，‘*’表示蓝灯调光数据。

【具体实施方式】

下面参照附图结合实施例对本发明作进一步的描述，以使本领域的技术人员可以更好的理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。

请参阅图1，为背光源彩色LED补色电路框图，该背光源彩色LED补色电路包括作为主控制器的FPGA((Field-Programmable Gate Array，现场可编程门阵列)、颜色传感器、上位机、三路线性恒流源，以及三路LED灯：橙灯、白灯、蓝灯。

所述颜色传感器、上位机、三路线性恒流源均连接到FPGA，每路线性恒流源分别驱动一路LED灯。所述FPGA采样颜色传感器的数据从而控制三路线性恒流源的调光比例和亮度。FPGA通过串口与上位机进行通讯。其中白灯作为主要光源，橙灯和蓝灯作为补色光源。

该实施例中，所述每路LED灯分别包括10串并联的LED灯，每串LED灯包括串联的8个LED灯。每路LED灯设置总和电流200mA，从而保证每串LED灯的电流是其典型电流20mA。每路线性恒流源独立采用PWM调光方式，它们的频率是相同的，但高电平时间各有不同。

白灯LED灯是用蓝光激发黄色荧光粉而得到白光，由于液晶屏对短波分量的衰减要大于长波分量，故此出屏后颜色偏黄，需要补蓝光，同时也要补红光。

使用该背光源彩色LED补色电路进行补色的步骤如下：

1、混合光前的准备工作：

1)使驱动电压能够保证LED灯恒流所必需的电压输出。

在工作电流是20mA的前提下，白色LED灯的管压降在3.1V～3.4V，橙灯是1.8V～2.0V，蓝灯是3.0V～3.3V。在驱动8颗灯串接的灯组情况下，驱动电压至少需要3.4×8+0.1＝27.3(V)，其中0.1V是电流采样电阻上的电压。考虑到线性电源的效率，驱动电压不宜超过28.3V，图1中采用+28V供电是满足要求的。

2)线性恒流源的输出电流应该具有导通时间上的一致性，这样可以做到亮度线性调节。

线性电源的输出地弹小，电磁兼容效果好。线性恒流源在PWM工作方式下，控制输出电流的上升沿和下降沿时间在1μs左右，这样不会破坏调光数据的线性关系，同时不会产生明显的地弹电压。

2、在SS-230平板显示系统综合分析仪器上混合光：

1)调白光从低亮度到高亮度，橙灯和蓝灯也按比例逐渐增加，保证色温在6500±100K，色坐标u′＝0.198，v′＝0.468。

2)记录40组从低亮度到高亮度调光过程中，白灯、橙灯和蓝灯的调光PWM波形高电平持续时间的数据。如图2所示，为白灯及配色彩灯PWM调光波形图。

3、数据拟合

根据以上数据可以得出在不同亮度情况下，3种灯的调光PWM高电平时间。

设W是白灯的PWM占空时间，L是亮度，则W与L满足函数关系：

W＝f₁(L)(1)

首先对L进行压缩，使式(1)中的自变量最大值在1左右，得到一个新的函数关系：

W＝f(L/1000)＝f(t)，式中t＝L/1000(2)

受光效和液晶屏光学膜组的影响，W与L的关系近似线性关系，拟采用线性多项式拟合的方法得出W与L的显式关系，线性多项式的阶次不宜超过5。

然后对(2)在零点泰勒展开得：

W＝a₀+a₁t+a₂t²+a₃t³(3)

(3)式的a₀、a₁、a₂、a₃是三阶多项式的常系数。

根据40组数据和最小二乘法得出如下公式：

$Y=\underset{i=1}{\overset{40}{\mathrm{\Σ}}}{[W_i-(a_0+a_1{t}_i^1+a_2{t}_i^2+a_3{t}_i^3)]}^2---\left(4\right)$

为了得到(4)式的最小值，需要满足以下方程：

$\frac{\∂Y}{\∂a_0}=0,$ $\frac{\∂Y}{\∂a_1}=0,$ $\frac{\∂Y}{\∂a_2}=0,$ $\frac{\∂Y}{\∂a_2}=0---\left(5\right)$

根据(5)式的4个方程式可以求出a₀、a₁、a₂、a₃的值，橙灯和绿灯的拟合方法与此一样。经计算拟合出3种光的调光高电平时间与亮度的关系，如图3。

图3中3根不间断曲线的表达式如下：

$W={10}^4[-0.8638{\left(\frac{L}{1000}\right)}^3-1.3637{\left(\frac{L}{1000}\right)}^2+2.3251\left(\frac{L}{1000}\right)+0.0494]---\left(6\right)$

$O={10}^3[4.8585{\left(\frac{L}{1000}\right)}^3-4.5088{\left(\frac{L}{1000}\right)}^2+8.97\left(\frac{L}{1000}\right)+0.2017]---\left(7\right)$

$B={10}^4[-0.2202{\left(\frac{L}{1000}\right)}^3-0.6417{\left(\frac{L}{1000}\right)}^2+1.2844\left(\frac{L}{1000}\right)+0.0598]---\left(8\right)$

式中L是亮度，W、O和B是白灯、橙灯和蓝灯PWM波形高电平时间级数。例如：PWM调光频率是2kHz，调光周期500μs，高电平时间级数是(7FFF)₁₆＝(32767)₁₀级；当白灯高电平时间级数是7EE0时，则它的调光PWM波形中高电平时间是：

${\left(500\right)}_{10}\×\frac{{\left(7\mathrm{EE}0\right)}_{16}}{{\left(7\mathrm{FFF}\right)}_{16}}={(500\×\frac{32480}{32767})}_{10}=495.6\left(\mathrm{\μs}\right)---\left(9\right)$

4、颜色闭环控制

根据第三步所得到的拟合曲线，在背光灯温度恒定并且与作拟合曲线时的背光灯温度一致的情况下，在全亮度范围内调光可以得到标准白色光源。但是要保证背光LED灯温度不变是不可能的，随着LED灯温度变化，白灯、橙灯和蓝灯的衰减不一样，色温会有漂移现象。

记录颜色传感器在200个调光周期，即100ms内，红、绿和蓝三颜色分量输出的脉冲个数，这些数据作为3颜色分量的亮度值。

在温度变化时，根据颜色传感器测量出的红、绿和蓝三色亮度数据，微调橙灯和蓝灯的PWM波形高电平时间，使红、绿和蓝三色亮度比值恒定，则色温保持不变，如表1所示。

表1背光板上颜色传感器(TCS230)返回的测量值

虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是熟悉本技术领域的技术人员应当理解，我们所描述的具体的实施例只是说明性的，而不是用于对本发明的范围的限定，熟悉本领域的技术人员在依照本发明的精神所作的等效的修饰以及变化，都应当涵盖在本发明的权利要求所保护的范围内。

Claims (7)

1.一种背光源彩色LED补色电路，其特征在于：包括作为主控制器的FPGA、颜色传感器、上位机、三路线性恒流源，以及三路LED灯：橙灯、白灯、蓝灯；

所述颜色传感器、上位机、三路线性恒流源均连接到FPGA，每路线性恒流源分别驱动一路LED灯，所述FPGA采样颜色传感器的数据以控制三路线性恒流源的调光比例和亮度，FPGA通过串口与上位机进行通讯。

2.如权利要求1所述的背光源彩色LED补色电路，其特征在于：其中白灯作为主要光源，橙灯和蓝灯作为补色光源，补色蓝灯和橙灯与主要光源白灯的调光频率一致而占空比不同。

3.如权利要求1所述的背光源彩色LED补色电路，其特征在于：所述每路LED灯分别包括10串并联的LED灯，每串LED灯包括串联的8个LED灯，每路LED灯设置总和电流200mA。

4.一种背光源彩色LED补色方法，其特征在于：使用一种背光源彩色LED补色电路进行补色，所述补色电路包括作为主控制器的FPGA、颜色传感器、上位机、三路线性恒流源，以及三路LED灯：橙灯、白灯、蓝灯，所述颜色传感器、上位机、三路线性恒流源均连接到FPGA，每路线性恒流源分别驱动一路LED灯，所述FPGA采样颜色传感器的数据以控制三路线性恒流源的调光比例和亮度，FPGA通过串口与上位机进行通讯；使用该背光源彩色LED补色电路进行补色的步骤如下：

步骤1、混合光前的准备工作：

1)使驱动电压能够保证LED灯恒流所必需的电压输出；

2)使线性恒流源的输出电流具有导通时间上的一致性；

步骤2、在SS-230平板显示系统综合分析仪器上混合光：

1)调白光从低亮度到高亮度，橙灯和蓝灯也按比例逐渐增加，保证色温在6500±100K，色坐标u′＝0.198，v′＝0.468；

2)记录40组从低亮度到高亮度调光过程中，白灯、橙灯和蓝灯的调光PWM波形高电平持续时间的数据；

步骤3、数据拟合：

根据步骤2的数据可以得出在不同亮度情况下，3种灯的调光PWM高电平时间，

设W是白灯的PWM占空时间，L是亮度，则W与L满足函数关系：

W＝f₁(L)(1)

首先对L进行压缩，使式(1)中的自变量最大值在1左右，得到一个新的函数关系：

W＝f(L/1000)＝f(t)，式中t＝L/1000(2)

受光效和液晶屏光学膜组的影响，W与L的关系近似线性关系，采用线性多项式拟合的方法得出W与L的显式关系，线性多项式的阶次不宜超过5，

然后对式(2)在零点泰勒展开得：

W＝a₀+a₁t+a₂t²+a₃t³(3)

式(3)的a₀、a₁、a₂、a₃是三阶多项式的常系数，

根据40组数据和最小二乘法得出如下式(4)：

$Y=\underset{i=1}{\overset{40}{\mathrm{\Σ}}}{[W_i-(a_0+a_1{t}_i^1+a_2{t}_i^2+a_3{t}_i^3)]}^2---\left(4\right)$

为了得到式(4)的最小值，需要满足以下方程：

$\frac{\∂Y}{\∂a_0}=0,$ $\frac{\∂Y}{\∂a_1}=0,$ $\frac{\∂Y}{\∂a_2}=0,$ $\frac{\∂Y}{\∂a_3}=0---\left(5\right)$

根据式(5)的4个方程式可以求出a₀、a₁、a₂、a₃的值，橙灯和绿灯的拟合方法与此一样，经计算拟合出3种光的调光高电平时间与亮度的关系；步骤4、颜色闭环控制：

根据步骤3所得到的拟合曲线，在背光灯温度恒定并且与作拟合曲线时的背光灯温度一致的情况下，在全亮度范围内调光得到标准白色光源，但是要保证背光LED灯温度不变是不可能的，随着LED灯温度变化，白灯、橙灯和蓝灯的衰减不一样，色温会有漂移现象；

记录颜色传感器在200个调光周期，即100ms内，红、绿和蓝三颜色分量输出的脉冲个数，这些数据作为3颜色分量的亮度值；

在温度变化时，根据颜色传感器测量出的红、绿和蓝三色亮度数据，微调橙灯和蓝灯的PWM波形高电平时间，使红、绿和蓝三色亮度比值恒定，则色温保持不变。

5.如权利要求4所述的背光源彩色LED补色方法，其特征在于：所述每路LED灯分别包括10串并联的LED灯，每串LED灯包括串联的8个LED灯，每路LED灯设置总和电流200mA，白色LED灯的管压降在3.1V～3.4V，橙灯是1.8V～2.0V，蓝灯是3.0V～3.3V，在驱动8颗灯串接的灯组情况下，保证LED灯恒流所必需的驱动电压至少为3.4×8+0.1＝27.3V，其中0.1V是电流采样电阻上的电压，考虑到线性电源的效率，驱动电压不超过28.3V。

6.如权利要求4所述的背光源彩色LED补色方法，其特征在于：所述线性恒流源在PWM工作方式下，控制输出电流的上升沿和下降沿时间在1μs，以保证线性恒流源的输出电流具有导通时间上的一致性。

7.如权利要求4所述的背光源彩色LED补色方法，其特征在于：所述3种光的调光高电平时间与亮度的关系为：

$W={10}^4[-0.8638{\left(\frac{L}{1000}\right)}^3-1.3637{\left(\frac{L}{1000}\right)}^2+2.3251\left(\frac{L}{1000}\right)+0.0494]---\left(6\right)$

$O={10}^3[4.8585{\left(\frac{L}{1000}\right)}^3-4.5088{\left(\frac{L}{1000}\right)}^2+8.97\left(\frac{L}{1000}\right)+0.2017]---\left(7\right)$

$B={10}^4[-0.2202{\left(\frac{L}{1000}\right)}^3-0.6417{\left(\frac{L}{1000}\right)}^2+1.2844\left(\frac{L}{1000}\right)+0.0598]---\left(8\right)$

式中L是亮度，W、O和B是白灯、橙灯和蓝灯PWM波形高电平时间级数。

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