CN116798366A - 内置背光插黑功能的Mini LED驱动芯片及其驱动方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种内置背光插黑功能的Mini LED驱动芯片及其驱动方法，包括电压转换模块，用于将外部输入VCC电压转换为芯片内部使用电压，时钟模块，用于产生芯片所需时钟信号，移位寄存器模块，用于接收DIN输入的数字逻辑信号，并向DOUT输出传递给下一级的信号；命令解析模块，用于将DIN输入的数字逻辑信号按照设定格式进行解析，并生成控制信号送到显示处理模块，显示处理模块用于将DIN输入的数字逻辑信号进行解析，生成PWM控制信号，并送往电流驱动模块；电流驱动模块用于将PWM控制信号转换为相应的电流信号输出PWM波形。本发明解决了基于液晶转态时间限制而造成的动态显示模糊的现象。

Description

内置背光插黑功能的Mini LED驱动芯片及其驱动方法

技术领域

本发明涉及电力电子器件技术领域，尤其涉及一种内置背光插黑功能的Mini LED驱动芯片及其驱动方法。

背景技术

LCD本身并不产生光。它依靠背光源来照亮它的像素。传统的液晶背光使用边缘照明背光。数个白色LED安装在LCD屏幕的一个边缘后面，LED由脉冲宽度调制信号驱动，以控制屏幕亮度，实现液晶面板的显示。目前Mini LED背光作为一种新型液晶显示背光技术，通过控制Mini LED驱动芯片，可以实现超高分区精准控光,同时具有区域调光(LocalDimming)技术,能够通过精细分区对整体画面进行动态调光。

液晶显示器中，液晶驱动芯片通过控制液晶分子的变化实现不同的亮度和色彩，液晶分子的状态变化速度代表了像素点对输入信号的响应速度，又叫做响应时间。目前液晶的响应时间在几毫秒范围内。在这个时间内，液晶处于未完全打开的过渡状态。使用者在看动态画面的时候就会有拖影的感觉。目前主流解决方案是通过显示驱动芯片“插黑”技术，消除液晶显示器的拖影现象。就是通过在两个画面之间插入全黑画面的方式，让人眼在观赏动态画面时，产生的视觉残留出现一个每一帧之间色彩过渡的中间状态，实现较为平稳的过渡，让人眼无法感受到拖影或残影现象。这种方案增加了显示驱动芯片的复杂性，而且额外增加了显示的带宽需求，造成功耗的增加。

专利申请号为CN101029987A，发明名称为《具背光时间延迟控制的色序式显示器及其控制方法》，公开了如下内容：通过主机端控制背光板的背光控制电路和背光延迟控制单元，用来控制背光源的开启时间和关闭时间，此种控制方法会同时打开和关闭整个背光源，会造成耗电的突然大量增加和减少，容易引入电磁干扰EMI问题。而且增加了主机端的额外工作。

发明内容

技术目的：针对现有技术中的缺陷，本发明公开了一种内置背光插黑功能的MiniLED驱动芯片及其驱动方法，利用MiniLED驱动芯片自动进行插黑控制，而且通过对每颗MiniLED驱动芯片设定不同的开启时间和插黑时长，精确做到每区的LED灯珠的不同时间点的打开和关闭。更好的解决了基于液晶转态时间限制而造成的动态显示模糊的现象。

技术方案：为实现上述技术目的，本发明采用以下技术方案。

一种内置背光插黑功能的Mini LED驱动芯片，包括电压转换模块、时钟模块、命令解析模块、显示处理模块、电流驱动模块和移位寄存器模块，所述电压转换模块与时钟模块、命令解析模块连接，用于将外部输入VCC电压转换为芯片内部使用电压并为时钟模块、命令解析模块供电，时钟模块与显示处理模块连接，用于产生芯片所需时钟信号，移位寄存器模块与命令解析模块、显示处理模块连接，用于接收DIN输入的数字逻辑信号，并向DOUT输出传递给下一级的信号；命令解析模块与显示处理模块连接，用于将DIN输入的数字逻辑信号按照设定格式进行解析，并生成控制信号送到显示处理模块，显示处理模块用于将DIN输入的数字逻辑信号进行解析，生成 PWM控制信号，并送往电流驱动模块；电流驱动模块用于将PWM控制信号转换为相应的电流信号输出PWM波形。

优选地，所述显示处理模块包括插黑控制寄存器、插黑时长寄存器、四路输出延时寄存器及四路PWM 生成器。

优选地，驱动芯片为单线控制的四通道Mini LED驱动芯片，DIN输入单线数字逻辑信号，显示处理模块生成四路通道的PWM控制信号，电流驱动模块负责将四路PWM控制信号转换为电流信号，输出PWM波形OUT0、OUT1、OUT2、OUT3；显示处理模块包括四路输出延时寄存器及四路PWM 生成器；四路PWM 生成器生成四路12位宽的PWM控制信号PWM0、PWM1、PWM2、PWM3。

一种内置背光插黑功能的Mini LED驱动方法，应用于以上任一所述的一种内置背光插黑功能的Mini LED驱动芯片，包括以下步骤：

一行画面收取后，驱动芯片等待Lat时间，在等待Out_DLY时间后通过插黑控制寄存器开启插黑功能，输出PWM=0波形，根据插黑时长寄存器持续BFI_DLY时间，即插黑时间，所述BFI_DLY时间与液晶响应时间匹配，实现响应阶段关闭背光。

优选地，所述通过插黑控制寄存器开启插黑功能，包括：在插黑控制寄存器中通过控制Enable bit实现插黑功能的启动与关闭，通过控制Unit bit设置插黑时长寄存器的时间单位，其中，Enable bit置0表示关闭插黑功能，Enable bit置1时表示启动插黑功能；Unit bit置0表示以1微秒为单位进行计时，Unit bit置1表示以10微秒为单位进行计时。

优选地，所述根据插黑时长寄存器持续BFI_DLY时间，包括：在插黑时长寄存器中以Unit bit为单位对插黑时间长度进行设置，Unit bit取值范围为0~1023。

优选地，所述插黑功能必须在LCD Gate on打开后的响应时间内启动，通过增加输出延时寄存器实现对PWM输出时间的调整，使插黑时间尽可能贴近液晶响应时间点启动。

有益效果：

本发明不仅可以实现对Mini LED背光的精准控光，还可以通过插黑降低因为液晶响应时间而造成的动态画面拖影问题，与通过传统显示控制芯片直接插黑视频帧相比控制方式简单，不占用控制芯片的带宽，降低了成本，使在高端产品上应用的拖影消除技术可以被更广的使用，是一种在Mini LED背光产品上消除动态显示模糊提高显示效果的一种有效方式。

附图说明

图1为本发明的总结构框架示意图；

图2为本发明的插黑控制模块结构框架示意图；

图3为本发明的BFI控制模块示意图；

图4为本发明的插黑流程示意图；

图5为本发明的S形背光驱动芯片排列示意图；

图6为本发明的背光板驱动芯片连接示意图；

图7为本发明的芯片级联数据传输示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的一种内置背光插黑功能的Mini LED驱动芯片及其驱动方法做进一步的说明和解释。

图1为本发明的总结构框架示意图：它包含了串行数据输入端口DIN和串行数据输出端口DOUT，以及四路恒流输出端口。串行数据输入端口DIN实现数据的接收，串行数据输出端口DOUT实现下一级数据的输出。恒流输出端口连接Mini LED，实现对Mini LED发光的控制。

精准控光：在Display处理器模块内置了10比特DC控制器模块和12比特PWM生成器模块，每个通道都支持10比特DC调光和12比特的PWM脉宽调光，可以实现1024阶的DC调光和4096阶的PWM脉宽调光。通过串行数据端口DIN将数据传递到显示处理模块，设置对应的DC寄存器DC[9:0]和PWM寄存器(PWM0,PWM1,PWM2,PWM3)去控制恒流源驱动器的每个通道的驱动电流和输出电压，从而实现对显示灰度的精确微调。

显示数据包格式示例：

命令数据包格式示例：

显示数据包作用：通过显示数据包传递Mini LED控制芯片所需的10比特DC控制数据和各通道的PWM灰度设置数据。

命令数据包作用：通过命令数据包传递Mini LED控制芯片所需的包括插黑控制数据在内的芯片控制数据。

电流及亮度控制具体过程：背光控制模块（主板）发送的显示模式数据包按一定格式通过串行数据端口DIN输入，通过移位寄存器后将显示数据包数据包输入显示处理模块，该模块的显示数据译码器模块对数据包进行解析，提取其中的DC控制数据DC[9:0]和四路12比特PWM控制数据PWM3,PWM2,PWM1,PWM0送往DC寄存器和PWM寄存器，作为恒流源的DC幅度设置信号DC[9:0]，和PWM生成器的输入信号，控制PWM生成器产生PWM0、PWM1、PWM2、PWM3控制信号。显示处理模块产生10比特的DC控制数据DC[9:0]和PWM数据PWM0、PWM1、PWM2、PWM3输出到恒流驱动模块，通过对恒流输出信号的DC电流的大小和占空比进行调节，从而实现高精度的亮度控制。

区域调光：传统的背光板是由几颗驱动芯片驱动LED灯珠，灯板始终保持统一的亮度。区域调光技术是指将整个背光分割成多个独立控制区域，实现对各个控制区域亮度的独立控制的功能。本驱动芯片支持串联模式，如图6本发明的背光板驱动芯片连接示意图可见，Mini LED背光板上通过串联方式级联多颗驱动芯片。背光控制模块（主板）通过下发显示数据控制每颗驱动芯片的DC和PWM，从而控制每颗驱动芯片四个通道的输出电流大小，从而实现对每个通道的Mini LED灯珠亮度的调节。通过驱动芯片控制每个区域灯珠的亮度，以此来实现更高的对比度。背光板在设计时，可以划分为多个分区，比如1024个分区，可由256颗Mini LED驱动芯片组成。主控板可以根据画面提取每个分区的亮度，转换为显示数据包通过串行数据线发送到驱动芯片，通过控制驱动芯片的DC和PWM，实现对每个芯片连接的Mini LED灯的亮度进行独立调节。从而实现对每个区的亮度控制。显示幕图像中高亮的部分的亮度可以达到最大,而同时黑暗的部分可以降低亮度,甚至关闭,以达到最佳的对比度。同时暗区亮度的降低进一步降低了背光的功耗。

如附图1所示，一种内置背光插黑功能的Mini LED驱动芯片，包括电压转换模块（LDO）、时钟模块（OSC）、命令解析模块、显示处理模块、恒流驱动模块和移位寄存器模块，所述电压转换模块与时钟模块、命令解析模块连接，用于将外部输入VCC电压转换为芯片内部使用电压并为时钟模块、命令解析模块供电，时钟模块与显示处理模块连接，用于产生芯片所需时钟信号，移位寄存器模块与命令解析模块、显示处理模块连接。

所述驱动芯片采用单线数据传输,可以多颗串行连接。每颗芯片通过显示数据包来设置各通道的DC电流与PWM灰阶数值。如图7芯片级联数据传输示意图所示，驱动芯片会将DIN端接收的第一笔数据接收到第一颗芯片,并将下一颗及之后的数据由DOUT传送到下一级芯片。芯片接收完显示数据包后会将DC和PWM数据锁存到相应的DC和PWM寄存器内，并送往恒流驱动模块，恒流驱动模块将根据DC设定和PWM设定，输出不同电流和频率的PWM信号到OUT0、OUT1、OUT2 与 OUT3 管脚上。

移位寄存器用于接收DIN输入的数据包，转为并行信号送往命令解析模块和显示处理模块，同时将传递到下一驱动芯片的数据输出到DOUT管脚上；

显示处理模块用于将DIN输入的显示数据包数字逻辑信号进行解析，生成PWM控制信号，并送往恒流驱动模块；恒流驱动模块用于将PWM控制信号转换为PWM波形通过OUT管脚输出，同时恒流模块根据DC的值来确定每个OUT管脚的输出电流。

命令解析模块与显示处理模块连接，将DIN输入的命令数据包数字逻辑信号按照设定格式进行解析，并生成对应的控制信号（如BFI_CTRL,BFI_DLY,Out_DLY）,解析后送到显示处理模块，控制显示处理模块的输出时间，实现对插黑时刻和插黑时长的控制。

如附图2所示，所述命令解析模块包括插黑控制寄存器(BFI_CTRL)、插黑时长寄存器（BFI_DLY)、延时寄存器（Out_DLY）和PWM 生成器（PWM Generator)，插黑控制寄存器与插黑时长寄存器连接，插黑时长寄存器和延时寄存器与PWM 生成器对应连接。

如附图2所示，所述显示处理模块包括显示数据译码器、PWM控制器、DC控制器和四路PWM生成器。显示数据译码器与PWM控制器和DC控制器相连接。显示数据译码器负责解析显示数据包的DC控制数据和PWM控制数据并送往PWM控制器和DC控制器。

在本发明的一些实施例中，一种内置背光插黑功能的Mini LED驱动芯片为单线控制的四通道Mini LED驱动芯片，DIN输入单线数字逻辑信号，显示处理模块生成四路通道的DC电流控制信号和PWM控制信号，恒流驱动模块负责将四路PWM控制信号转换为DC设定电流的PWM输出信号，输出PWM波形OUT0、OUT1、OUT2、OUT3。显示处理模块包括四路输出延时寄存器及四路PWM 生成器；四路PWM 生成器生成四路12位宽的PWM控制信号PWM[0]、PWM[1]、PWM[2]、PWM[3]。设置四路输出延时寄存器目的是实现每个PWM通道的输出时间都可以单独可调，每路PWM依次输出可以有效降低EMI影响。

如图6所示，控制软件由主板上的背光控制模块实现，背光控制模块可以由专用背光控制芯片、MCU或者可编程逻辑器件实现。

如附图5所示，一种内置背光插黑功能的Mini LED驱动方法，应用于以上任一所述的一种内置背光插黑功能的Mini LED驱动芯片组成的背光板，附图5案例中整个背光板结构分为N段，一段由两行驱动芯片组成，每行由M颗驱动芯片串联。Mini LED驱动包括以下步骤：

配置插黑寄存器：背光控制模块软件根据背光板的Mini LED驱动芯片的排列方式和所配套的液晶屏幕的特性设置相关的Mini LED驱动芯片的工作参数。背光控制模块软件通过串行输入接口Din发送命令数据包对背光板上Mini LED驱动芯片的插黑控制相关的寄存器进行设置，配置每颗芯片的插黑时长寄存器、输出延时寄存器和插黑控制寄存器。

如附图5的结构中，一段由两行Mini LED驱动芯片组成，每一行对应不同区间的液晶像素，根据液晶的扫描式工作原理，对应每行的液晶像素的开启时间是不同的。如果两行同时进行插黑对应两个区域的液晶过渡时间窗口的匹配度差异会比较大。可以通过Out_DLY寄存器解决这个问题，把第二行的插黑时间向后推迟。这样第二行实际插黑时间就会向后推迟。通过调整Out_DLY寄存器可以实现每一行的插黑时间和对应区域的液晶过渡时间更好的匹配。

2. 发送显示数据到背光板各Mini LED驱动芯片：背光控制模块软件收取一帧画面后，背光控制模块软件进行图像区域亮度计算并将一帧图像的亮度信息转换为背光板的上每颗Mini LED的驱动芯片的驱动信号，通过显示数据包发送给背光板上每颗Mini LED驱动芯片。

3. Mini LED驱动芯片在插黑寄存器的控制下根据显示数据包的输入信息输出显示信息。

4. 如附图4所示，每颗Mini LED驱动芯片都在等待Lat时间后生成Sync信号，这样保证每颗芯片的计算启动时间保持一致。驱动芯片在等待Out_DLY时间后通过插黑控制寄存器开启插黑功能，控制恒流驱动模块输出PWM为高的波形关闭Mini LED，并维持插黑时长寄存器BFI_DLY设定的插黑时间长度。所述设定的BFI_DLY时间长度尽量与所用液晶转态时间长度接近，这样可以通过在液晶转态阶段关闭背光从而降低液晶转态期对显示画面的影响。

所述通过插黑控制寄存器开启插黑功能，如表格1所示，包括：在插黑控制寄存器中通过控制Enable bit实现插黑功能的启动与关闭，通过控制Unit bit设置插黑时长寄存器的时间单位，其中，Enable bit置0表示关闭插黑功能，Enable bit置1时表示启动插黑功能；Unit bit置0表示以1微秒为单位进行计时，Unit bit置1表示以10微秒为单位进行计时。

表格 1 插黑控制寄存器控制说明表

所述根据插黑时长寄存器持续BFI_DLY时间，如表格2所示，包括：在插黑时长寄存器中以Unit bit为单位对插黑时间长度进行设置，插黑时长寄存器BFI_DLY的范围为0~1023，也就是如果以1us为单位，可以实现0~1023微秒时间段内的插黑。如果以10us为单位，可以实现0~10230微秒时间段内的插黑。具体插黑时间长度，可以通过背光控制模块对MiniLED驱动芯片发送Command数据包来实现配置。

表格 2 插黑时长寄存器控制说明表

当插黑控制寄存器中Unit bit置0时，插黑控制寄存器以1微秒为单位进行计时，此时插黑时长寄存器持续的BFI_DLY时间范围是0~1023微秒；当插黑控制寄存器中Unitbit置1时，插黑控制寄存器以10微秒为单位进行计时，此时插黑时长寄存器持续的BFI_DLY时间范围是0~10230微秒。

在等待Out_DLY时间后启动插黑功能，输出PWM=0波形，持续BFI_DLY时间此BFI_DLY时间与液晶响应时间匹配，实现响应阶段关闭背光。背光插黑功能通过设置插黑寄存器和输出延时寄存器实现对Mini LED的打开的时间点和时间长度的控制，通过调整达到与液晶转态时间的匹配，在液晶转态区间内关闭Mini LED，从而避开液晶转态的时间区间内的图像显示，实现液晶插黑的效果。

本发明的一些实施例中，插黑控制流程如下：

1.设置插黑控制寄存器中Unit bit和插黑时长寄存器；

2.设置插黑控制寄存器Enable bit为1启动插黑功能；

3.Mini LED驱动芯片在收完显示数据后，如图4所示，在Sync信号后开始自动进行插黑计时，此期间内将关闭PWM输出，Mini LED处于关闭状态。当到达设定时间BFI_DLY长度后再输出正常的PWM控制波形，Mini LED开始正常显示。

通过以上流程可以实现在第二笔显示数据启动之前，控制背光Mini LED在一定时间长度的关闭状态。此时LCD即使打开，因为背光源关闭，根据液晶显示特性没有背光并不会显示图像，从而实现了插黑。

插黑的时间控制：如附图5所示，针对这种S形背光驱动芯片排列的灯板，因为上下两行MiniLED驱动芯片在同一段中，但是液晶是逐行扫描，每行液晶开启的时间是不相同的。所以为了使每行背光打开的时间与液晶开启的时间尽可能一致。需要对上下两行的MiniLED驱动芯片的插黑的开启时间进行调整，第二行的开启时间相对第一行向后延迟，以接近液晶开启第二行扫描的时间点。为了达到此目的，通过增加输出延时寄存器Out_DLY实现对PWM输出时间的调整，这样可以进一步改进插黑功能的效果。

输出延时寄存器（OUT_DLY）：时间单位是Td。如表格3所示，通过这个8位寄存器，可以在0-255范围内对PWM输出时间进行调整。通过调整输出延时寄存器实现对插黑时间点的校正，调整范围：0~255Td。通过输出延时寄存器可以调整每行MiniLED驱动芯片的插黑时间，使其尽可能贴近液晶响应时间点启动。而不是所有的MiniLED驱动芯片同时启动。

表格 3 输出延时寄存器控制说明表

带输出延时调整的插黑流程：

1.设置插黑控制寄存器中Unit bit和插黑时长寄存器；

2.设置输出延时寄存器，调整芯片的输出时延；

3.设置插黑控制寄存器中Enable bit为1启动插黑功能；

4.如图3 BFI控制模块示意图所示，通过BFI_CTRL控制寄存器的Enable位启动BFI插黑功能。当Mini LED驱动芯片接收完显示数据，在Sync信号到达后，先打开输出时延计数器进行进行计数，达到设定输出后发送start信号启动插黑计数器，开始进行插黑计时，此时通过on/off信号连接将背光Mini LED置于关闭状态。当到达设定时间长度后再输出正常的PWM控制波形，Mini LED开始正常显示。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1. 一种内置背光插黑功能的Mini LED驱动芯片，其特征在于：包括电压转换模块、时钟模块、命令解析模块、显示处理模块、电流驱动模块和移位寄存器模块，所述电压转换模块与时钟模块、命令解析模块连接，用于将外部输入VCC电压转换为芯片内部使用电压并为时钟模块、命令解析模块供电，时钟模块与显示处理模块连接，用于产生芯片所需时钟信号，移位寄存器模块与命令解析模块、显示处理模块连接，用于接收DIN输入的数字逻辑信号，并向DOUT输出传递给下一级的信号；命令解析模块与显示处理模块连接，用于将DIN输入的数字逻辑信号按照设定格式进行解析，并生成控制信号送到显示处理模块，显示处理模块用于将DIN输入的数字逻辑信号进行解析，生成 PWM控制信号，并送往电流驱动模块；电流驱动模块用于将PWM控制信号转换为相应的电流信号输出PWM波形。

2. 根据权利要求1所述的一种内置背光插黑功能的Mini LED驱动芯片，其特征在于：所述显示处理模块包括插黑控制寄存器、插黑时长寄存器、四路输出延时寄存器及四路PWM生成器。

3.根据权利要求2所述的一种内置背光插黑功能的Mini LED驱动芯片，其特征在于：驱动芯片为单线控制的四通道Mini LED驱动芯片，DIN输入单线数字逻辑信号，显示处理模块生成四路通道的PWM控制信号，电流驱动模块负责将四路PWM控制信号转换为电流信号，输出PWM波形OUT0、OUT1、OUT2、OUT3；显示处理模块包括四路输出延时寄存器及四路PWM 生成器；四路PWM 生成器生成四路PWM控制信号PWM[0]、PWM[1]、PWM[2]、PWM[3]。

4.一种内置背光插黑功能的Mini LED驱动方法，应用于如权利要求1-3任一所述的一种内置背光插黑功能的Mini LED驱动芯片，其特征在于，包括以下步骤：

一行画面收取后，驱动芯片等待Lat时间，在等待Out_DLY时间后通过插黑控制寄存器开启插黑功能，输出PWM=0波形，根据插黑时长寄存器持续BFI_DLY时间，即插黑时间，所述BFI_DLY时间与液晶响应时间匹配，实现响应阶段关闭背光。

5. 根据权利要求4所述的一种内置背光插黑功能的Mini LED驱动方法，其特征在于：所述通过插黑控制寄存器开启插黑功能，包括：在插黑控制寄存器中通过控制Enable bit实现插黑功能的启动与关闭，通过控制Unit bit设置插黑时长寄存器的时间单位，其中，Enable bit置0表示关闭插黑功能，Enable bit置1时表示启动插黑功能；Unit bit置0表示以1微秒为单位进行计时，Unit bit置1表示以10微秒为单位进行计时。

6. 根据权利要求5所述的一种内置背光插黑功能的Mini LED驱动方法，其特征在于：所述根据插黑时长寄存器持续BFI_DLY时间，包括：在插黑时长寄存器中以Unit bit为单位对插黑时间长度进行设置，Unit bit取值范围为0~1023。

7. 根据权利要求4所述的一种内置背光插黑功能的Mini LED驱动方法，其特征在于：所述插黑功能必须在LCD Gate on打开后的响应时间内启动，通过增加输出延时寄存器实现对PWM输出时间的调整，使插黑时间贴近液晶响应时间点启动。