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引言
白光LED由于尺寸小巧，功耗低并容易控制，一般都用作移动电话等小型LCD显示器的背光照明。现今在手持设备中不断增长的多媒体内容不仅促使显示器的应用更加多元化，而且对图像品质的要求也愈来愈高。红绿蓝(RGB) LED背光照明可以改善LCD显示器的色彩复制效果。如果搭配上新技术，RGB LED还可削减功耗，延长便携设备的电池寿命。
冷阴极荧光管(CCFL)背光一直都主导着电脑和电视机等荧幕较大的LCD显示器背光。但从性能上来看，LED背光的潜能比CCFL背光的潜能更大。使用LED背光能够获得更佳的图像品质和节电效果。要完全发挥LED背光的潜能，必须使用一些精密的驱动方法。本文将集中讨论小型和大型LCD显示器中的白光LED与RGB LED 背光的驱动方法。
小型显示器中的WLED和RGB LED
一般来说，小型LCD平板显示器的背光一般都采用多个白光LED。LED位于显示器的边缘，配合光导板会使背光更加平均。图1所见为一个LCD显示器模块的结构。
白光LED是用恒流来驱动，而且可能会使用脉冲宽度调制(PWM)来调光。LED可以并行或串行的形式来驱动。串行连接需使用高压升压转换器以获取足够的电压来驱动LED。由于电路板布线较简单，LED间电流匹配性良好以及易于掌控，因此背光驱动中普遍采用串行连接。
LCD显示器的色域，即可复制的颜色范围会取决于背光源的放射光谱和颜色过滤器的透射光谱。白光LED的问题是其光谱不利于光学还原，因为白光LED其实是蓝光LED在上面加上一层黄色磷质所形成。因此其光谱有两个峰值，一个在蓝色而另一个在黄色。图2分别展示出典型白光和RGB LED的光谱。
LCD显示器的像素被划分成3个主色单元：红、绿和蓝，而所谓像素颜色就是三原色之间的混合。若要将正确的颜色过滤到每个颜色单元，便需要使用颜色过滤器。可是，颜色过滤器会浪费大量的光能，而且在色彩过滤后，通过液晶显示器的光谱也并不理想。假如使用白色背光LED，那在液晶显示器上便可产生出最多75% 的国家电视标准委员会(NTSC)色彩，而当使用RGB 作为LCD显示器背光时，那颜色的复制范围可以提升到覆盖100%的NTSC色域，这使到颜色更加光亮和画质更高。图3展示出不同背光技术的典型色域。
假若使用RGB背光，当遇有温度变化时，驱动器必须对LED放射波长中的所谓红移作出补偿以避免发生白点偏移。此外，驱动器亦必须在任何的工作温度下正确调整光的强度。补偿方面可以是闭环或开环。在闭环补偿时，一个光学传感器会用来测量白点和光强度，而当用开环补偿时，便需量度温度并利用预先测定的补偿曲线来调整亮度平衡。
供小型LCD显示器用的RGB背光驱动器例子有美国国家半导体的LP5520，它是一种开环补偿LED驱动器。图4给出了开环色彩补偿的原理图。当中量度了应用中实际使用的RGB LED类型的温度补偿曲线，这些曲线被编程写入内部电气可拭除祇读存储器内。芯片被集成到液晶显示器模块，而模块制造商则在生产过程中为这些补偿曲线进行编程，并同时使用红绿蓝LED背光优化过滤器。
LED背光驱动的效能因素可以划分为升压效率、LED驱动效率和颜色过滤透射。升压效能可以通过自适应升压模式来得以优化，该模式下升压会根据LED输出所需的净空来作出调整。LED的驱动效率会受到PWM占空比和电流比率影响。假如LED的电源保持固定但PWN占空比被调整了时，那便会发现LED的光学效率会随着较低的PWM占空比数值而下降。这是由于较低的PWM值会引致电流的需求上升，使得LED的正向电压较大。在RGB LED的驱动中，假如所有颜色都由同一个升压去驱动，那红色LED驱动器便会浪费不少功率，因为红色LED的正向电压相对于绿色和蓝色LED的都明显较低。
直接比较使用相同颜色过滤器的RGB LED和白光LED背光的效率，便会发现白光LED的效率比RGB的高15%～30%，这主要由于白光LED的功效比RGB LED的更高，同时在某程度上前者的驱动效率也较好。假如采用RGB LED，那使用优化的颜色过滤器便有可能把整体的效率提升20%～40%，假如再改善红色LED的驱动，那便可额外获得10％～15%的效率改进。因此，使用RGB背光可能会得到更佳的色域，若加上优化的颜色过滤器，那功耗将可比白光LED的更低。表1为LP5520的测量结果，并且比较了RGB和白光LED背光的效率。
中型LCD的白光LED背光
白光LED在背光驱动上可以取代CCFL管。在较大型的电脑显示器和电视应用中，LED背光可以分成边缘背光(像手提电脑)或直接背光两类。无论是哪一种，LED都是以串行的形式被驱动，而且分成一排排，而在排的数量(等于驱动器所需的LED控制脚数)和整体所需的驱动电压之间必须作出协调。假如排的数量愈多，那便需较低的电压来驱动LED，但布线和LED的控制都将变得较为复杂。
来自电源的输入电压会用升压转换器来提升，以达到驱动LED所需的高电压。而一串中的LED数量决定所需的电压大小。一般来说，升压会被调整到LED串的实际正向电压水平以尽量减低耗散在驱动器电路中的功率，从而尽量提升LED驱动器的效率。在这前提下，LED会以恒流来驱动，并且使用PWM调光技术来控制亮度。亮度的控制可以通过串行接口(MBus、SPI 或 I2C) 或外置PWM接口来进行，而根据不同方案的要求，有可能需要视频信号同步化。
随着显示器的尺寸愈来愈大，用作显示器背光的LED数量亦急剧增加，而这难免会导致很多问题产生。尤其是散热和机械设计方面，假如使用传统的PWM控制技术，那更会产生电源轨电压纹波。当为背光模块设计机械方案时，必须考虑LED和驱动电路的散热问题。假如LED长期在高温下工作，那便会缩短它们的操作寿命，同时亦会导致光谱偏移和降低光度。光谱偏移可以通过改变LCD像素的光电传递函数来补偿，但代价是会降低对比和亮度。在这方面，可以使用集成在驱动器电路中的温度调整功能来防止过热。当一旦达到跳变点时，温度调整便会逐渐调暗LED以减低热力。
假如使用传统的PWM控制来控制亮度，当所有的LED同时亮着时，那便会从输入电压轨提取极大的峰值电流。为了作出补偿，驱动器电路用的升压转换器便需要较大的输入/输出电容器，但这会产生EMI和噪声等问题。要克服这些困难，有数个可行的相位位移PWM方法可考虑。其中一个简单的方法是延迟LED的输出，即稍后才启动它们。使用这种方法，那峰值电流便得以减少，从而可使用较小的输入/输出电容器以降低方案的成本。图5所示为一个相位位移PWM方法对电源轨电压下降的效果。
环境光线控制可以根据环境光线来调整背光。假如驱动器电路本身设有光传感器接口，那应用处理器就无需根据光线情况来控制亮度，驱动电路会自动进行调节。
光反馈可用来补偿LED间的差别和温度效应，同时亦有助减慢LED的老化速度以延长背光的寿命。此外，发生在LCD面板、颜色过滤器和LED的变化可以用集成到驱动器电路中的校准存储器来补偿。现实中，亮度是在LCD显示器的生产过程中进行量度和校准的，而校准曲线会载入到驱动器电路的存储器内。
使用自适应背光驱动技术有可能获得较佳的对比度、灰度和节电效果。这是指背光会根据视频信号来调整，当RGB度低时，那背光级便会被调整以尽量减低LC的泄漏。与此同时，视频信号亮度亦需要增加以维持原来的亮度。在这情况下，视频处理器必须可以调整LCD的亮度和控制背光驱动器电路，而电路会按要求调整背光的亮度。
自适应背光驱动可以用在整个系统(0D 调光)，或将面板划分成若干个区域，而每一个均有独立的亮度控制(1D和2D调光)。0D调光一般都是使用在边缘背光的显示器，而1D和2D调光则使用在采用直接背光照明的大型显示器上。
使用1D调光方法，显示器的背光会被分成若干行列，每一行均可独立地控制。通常横向的编排效果会较佳，原因是它主要针对风景等画面的亮度分布。从视频数据可计算出每个区的亮度，而这些亮度级会在不同空间暂时性地被过滤。
至于2D调光方面，面板会同时以横和直两个方向来划分成较小的区域，以便获得更为准确的背光空间控制。此外，在节电效果和对比度方面，2D控制均比1D调光更为出色。可是，由于区域的数量更多，所以在区域控制上则比1D调光更加复杂。
大型LCD的RGB LED背光
与白光LED驱动比较，RGB LED的驱动要求比较特别，这已从上述的小型LCD背光中得到见证。首先，背光的白点必须得到控制，假如LCD面板的光反馈较大，那便应采用闭环补偿，原因是它可补偿因更多参数所造成的白点变化，例如LED间的差别。如果LCD的荧幕较大，那背光的机械性限制便会比较小的LCD显示器较为宽松，因此比较容易将光传感器组装到背光模块上。
红、绿和蓝光LED被串行连接在一起，因此每一个原色均能独立地控制，而LCD荧幕区可以划分成若干个区块，每一个均有其独立的驱动器。然而，不同颜色LED的正向电压各不相同，这便导致问题产生。红光LED的正向电压明显比绿和蓝光LED的较小，这意味不同颜色的LED需配合不同的升压才能维持良好的LED驱动效率。
类似的0D/1D/2D调光技术可以如白光LED背光一样地配合RGB LED背光模块来使用。假如采用RGB背光的话，效果可能更好，因为背光已无需保持白色，而其颜色将根据视频信号而变化。这样，背光便可有效地用作一个低分辨率的基本显示，而LCD则成为辅助的调制器。当使用2D-颜色调光技术时，节电和对比度上的改进相比起传统的LED背光更为出色。
结论
在LCD面板上采用LED背光照明的趋势已日益凸现。因为 LED背光照明的性能实在比CCFL背光更好。尤其当使用RGB LED背光时，无论在小型或大型LCD面板上都可产生更生动的颜色。采用LED背光技术更可能创制出环保的LCD面板，因为它的功耗小而且免去了CCFL所需的存储器。现今，背光LED驱动器正不断改进，以进一步提升LED的性能，并降低能耗和成本。
白光LED由于尺寸小巧，功耗低并容易控制，一般都用作移动电话等小型LCD显示器的背光照明。现今在手持设备中不断增长的多媒体内容不仅促使显示器的应用更加多元化，而且对图像品质的要求也愈来愈高。红绿蓝(RGB) LED背光照明可以改善LCD显示器的色彩复制效果。如果搭配上新技术，RGB LED还可削减功耗，延长便携设备的电池寿命。
冷阴极荧光管(CCFL)背光一直都主导着电脑和电视机等荧幕较大的LCD显示器背光。但从性能上来看，LED背光的潜能比CCFL背光的潜能更大。使用LED背光能够获得更佳的图像品质和节电效果。要完全发挥LED背光的潜能，必须使用一些精密的驱动方法。本文将集中讨论小型和大型LCD显示器中的白光LED与RGB LED 背光的驱动方法。
小型显示器中的WLED和RGB LED
一般来说，小型LCD平板显示器的背光一般都采用多个白光LED。LED位于显示器的边缘，配合光导板会使背光更加平均。图1所见为一个LCD显示器模块的结构。
白光LED是用恒流来驱动，而且可能会使用脉冲宽度调制(PWM)来调光。LED可以并行或串行的形式来驱动。串行连接需使用高压升压转换器以获取足够的电压来驱动LED。由于电路板布线较简单，LED间电流匹配性良好以及易于掌控，因此背光驱动中普遍采用串行连接。
LCD显示器的色域，即可复制的颜色范围会取决于背光源的放射光谱和颜色过滤器的透射光谱。白光LED的问题是其光谱不利于光学还原，因为白光LED其实是蓝光LED在上面加上一层黄色磷质所形成。因此其光谱有两个峰值，一个在蓝色而另一个在黄色。图2分别展示出典型白光和RGB LED的光谱。
LCD显示器的像素被划分成3个主色单元：红、绿和蓝，而所谓像素颜色就是三原色之间的混合。若要将正确的颜色过滤到每个颜色单元，便需要使用颜色过滤器。可是，颜色过滤器会浪费大量的光能，而且在色彩过滤后，通过液晶显示器的光谱也并不理想。假如使用白色背光LED，那在液晶显示器上便可产生出最多75% 的国家电视标准委员会(NTSC)色彩，而当使用RGB 作为LCD显示器背光时，那颜色的复制范围可以提升到覆盖100%的NTSC色域，这使到颜色更加光亮和画质更高。图3展示出不同背光技术的典型色域。
假若使用RGB背光，当遇有温度变化时，驱动器必须对LED放射波长中的所谓红移作出补偿以避免发生白点偏移。此外，驱动器亦必须在任何的工作温度下正确调整光的强度。补偿方面可以是闭环或开环。在闭环补偿时，一个光学传感器会用来测量白点和光强度，而当用开环补偿时，便需量度温度并利用预先测定的补偿曲线来调整亮度平衡。
供小型LCD显示器用的RGB背光驱动器例子有美国国家半导体的LP5520，它是一种开环补偿LED驱动器。图4给出了开环色彩补偿的原理图。当中量度了应用中实际使用的RGB LED类型的温度补偿曲线，这些曲线被编程写入内部电气可拭除祇读存储器内。芯片被集成到液晶显示器模块，而模块制造商则在生产过程中为这些补偿曲线进行编程，并同时使用红绿蓝LED背光优化过滤器。
LED背光驱动的效能因素可以划分为升压效率、LED驱动效率和颜色过滤透射。升压效能可以通过自适应升压模式来得以优化，该模式下升压会根据LED输出所需的净空来作出调整。LED的驱动效率会受到PWM占空比和电流比率影响。假如LED的电源保持固定但PWN占空比被调整了时，那便会发现LED的光学效率会随着较低的PWM占空比数值而下降。这是由于较低的PWM值会引致电流的需求上升，使得LED的正向电压较大。在RGB LED的驱动中，假如所有颜色都由同一个升压去驱动，那红色LED驱动器便会浪费不少功率，因为红色LED的正向电压相对于绿色和蓝色LED的都明显较低。
直接比较使用相同颜色过滤器的RGB LED和白光LED背光的效率，便会发现白光LED的效率比RGB的高15%～30%，这主要由于白光LED的功效比RGB LED的更高，同时在某程度上前者的驱动效率也较好。假如采用RGB LED，那使用优化的颜色过滤器便有可能把整体的效率提升20%～40%，假如再改善红色LED的驱动，那便可额外获得10％～15%的效率改进。因此，使用RGB背光可能会得到更佳的色域，若加上优化的颜色过滤器，那功耗将可比白光LED的更低。表1为LP5520的测量结果，并且比较了RGB和白光LED背光的效率。
中型LCD的白光LED背光
白光LED在背光驱动上可以取代CCFL管。在较大型的电脑显示器和电视应用中，LED背光可以分成边缘背光(像手提电脑)或直接背光两类。无论是哪一种，LED都是以串行的形式被驱动，而且分成一排排，而在排的数量(等于驱动器所需的LED控制脚数)和整体所需的驱动电压之间必须作出协调。假如排的数量愈多，那便需较低的电压来驱动LED，但布线和LED的控制都将变得较为复杂。
来自电源的输入电压会用升压转换器来提升，以达到驱动LED所需的高电压。而一串中的LED数量决定所需的电压大小。一般来说，升压会被调整到LED串的实际正向电压水平以尽量减低耗散在驱动器电路中的功率，从而尽量提升LED驱动器的效率。在这前提下，LED会以恒流来驱动，并且使用PWM调光技术来控制亮度。亮度的控制可以通过串行接口(MBus、SPI 或 I2C) 或外置PWM接口来进行，而根据不同方案的要求，有可能需要视频信号同步化。
随着显示器的尺寸愈来愈大，用作显示器背光的LED数量亦急剧增加，而这难免会导致很多问题产生。尤其是散热和机械设计方面，假如使用传统的PWM控制技术，那更会产生电源轨电压纹波。当为背光模块设计机械方案时，必须考虑LED和驱动电路的散热问题。假如LED长期在高温下工作，那便会缩短它们的操作寿命，同时亦会导致光谱偏移和降低光度。光谱偏移可以通过改变LCD像素的光电传递函数来补偿，但代价是会降低对比和亮度。在这方面，可以使用集成在驱动器电路中的温度调整功能来防止过热。当一旦达到跳变点时，温度调整便会逐渐调暗LED以减低热力。
假如使用传统的PWM控制来控制亮度，当所有的LED同时亮着时，那便会从输入电压轨提取极大的峰值电流。为了作出补偿，驱动器电路用的升压转换器便需要较大的输入/输出电容器，但这会产生EMI和噪声等问题。要克服这些困难，有数个可行的相位位移PWM方法可考虑。其中一个简单的方法是延迟LED的输出，即稍后才启动它们。使用这种方法，那峰值电流便得以减少，从而可使用较小的输入/输出电容器以降低方案的成本。图5所示为一个相位位移PWM方法对电源轨电压下降的效果。
环境光线控制可以根据环境光线来调整背光。假如驱动器电路本身设有光传感器接口，那应用处理器就无需根据光线情况来控制亮度，驱动电路会自动进行调节。
光反馈可用来补偿LED间的差别和温度效应，同时亦有助减慢LED的老化速度以延长背光的寿命。此外，发生在LCD面板、颜色过滤器和LED的变化可以用集成到驱动器电路中的校准存储器来补偿。现实中，亮度是在LCD显示器的生产过程中进行量度和校准的，而校准曲线会载入到驱动器电路的存储器内。
使用自适应背光驱动技术有可能获得较佳的对比度、灰度和节电效果。这是指背光会根据视频信号来调整，当RGB度低时，那背光级便会被调整以尽量减低LC的泄漏。与此同时，视频信号亮度亦需要增加以维持原来的亮度。在这情况下，视频处理器必须可以调整LCD的亮度和控制背光驱动器电路，而电路会按要求调整背光的亮度。
自适应背光驱动可以用在整个系统(0D 调光)，或将面板划分成若干个区域，而每一个均有独立的亮度控制(1D和2D调光)。0D调光一般都是使用在边缘背光的显示器，而1D和2D调光则使用在采用直接背光照明的大型显示器上。
使用1D调光方法，显示器的背光会被分成若干行列，每一行均可独立地控制。通常横向的编排效果会较佳，原因是它主要针对风景等画面的亮度分布。从视频数据可计算出每个区的亮度，而这些亮度级会在不同空间暂时性地被过滤。
至于2D调光方面，面板会同时以横和直两个方向来划分成较小的区域，以便获得更为准确的背光空间控制。此外，在节电效果和对比度方面，2D控制均比1D调光更为出色。可是，由于区域的数量更多，所以在区域控制上则比1D调光更加复杂。
大型LCD的RGB LED背光
与白光LED驱动比较，RGB LED的驱动要求比较特别，这已从上述的小型LCD背光中得到见证。首先，背光的白点必须得到控制，假如LCD面板的光反馈较大，那便应采用闭环补偿，原因是它可补偿因更多参数所造成的白点变化，例如LED间的差别。如果LCD的荧幕较大，那背光的机械性限制便会比较小的LCD显示器较为宽松，因此比较容易将光传感器组装到背光模块上。
红、绿和蓝光LED被串行连接在一起，因此每一个原色均能独立地控制，而LCD荧幕区可以划分成若干个区块，每一个均有其独立的驱动器。然而，不同颜色LED的正向电压各不相同，这便导致问题产生。红光LED的正向电压明显比绿和蓝光LED的较小，这意味不同颜色的LED需配合不同的升压才能维持良好的LED驱动效率。
类似的0D/1D/2D调光技术可以如白光LED背光一样地配合RGB LED背光模块来使用。假如采用RGB背光的话，效果可能更好，因为背光已无需保持白色，而其颜色将根据视频信号而变化。这样，背光便可有效地用作一个低分辨率的基本显示，而LCD则成为辅助的调制器。当使用2D-颜色调光技术时，节电和对比度上的改进相比起传统的LED背光更为出色。
结论
在LCD面板上采用LED背光照明的趋势已日益凸现。因为 LED背光照明的性能实在比CCFL背光更好。尤其当使用RGB LED背光时，无论在小型或大型LCD面板上都可产生更生动的颜色。采用LED背光技术更可能创制出环保的LCD面板，因为它的功耗小而且免去了CCFL所需的存储器。现今，背光LED驱动器正不断改进，以进一步提升LED的性能，并降低能耗和成本。