一种调制LED背光的方法与流程

本技术涉及led显示，更具体地说，一种调制led背光的方法。

背景技术：

1、随着现代科学技术的不断进步，发光二极管(led)照明由于具有发光效率高、节电效果明显、起动时间短、寿命长、无污染及抗振动等显著优点，已受到世界各国的广泛关注，并有望发展成为新一代照明光源，广泛应用于室内外照明、景观设计、指示灯等方面。

2、为了适应实际生产和节电的需要，led照明通常需要进行亮度调节，即led调光技术。目前led的调光方式主要有两种：模拟量调制(analog modulation，pam)调光方式和脉冲宽度调制(pulse width modulation，pwm)调光方式。其中，pam调光是通过调节流过led的正向电流大小来改变光通量输出，流过led的电流是连续的。pam调光方式在调光时改变了led电流幅值，会使led峰值波长漂移，色温改变，严重时发出的光会发黄或发灰。pwm调光则是通过调节输出电流的占空比来改变输出电流的有效值，从而改变led的光通量，实现led的亮度调节。但是，在低灰度图像的显示时，为了保证刷新率，会带来“麻点”，使低亮度下出现色彩不均匀的问题。若设定最小脉冲宽度，则会降低显示刷新率，从而影响显示效果。

3、中国专利申请，申请号cn202111182002.3，公开日2023年4月14日，公开了一种led驱动pwm脉宽调制装置和方法，装置包括：灰度数据模块用于将灰度数据拆分成高比特位灰度数据和低比特位灰度数据，并根据高比特位灰度数据生成第一高比特位灰度数据和第二高比特位灰度数据；pwm计数器用于对pwm时钟信号计数，并将pwm时钟信号分为高比特位时钟数据和低比特位时钟数据；选择器用于根据译码器的译码结果，将第一高比特位灰度数据或第二高比特位灰度数据分时选通至pwm脉宽产生模块；pwm脉宽产生模块用于根据第一高比特位灰度数据、第二高比特位灰度数据和低比特时钟数据输出pwm脉宽信号。但是该方案由选择器根据译码器结果在第一高比特位灰度数据和第二高比特位灰度数据之间进行分时切换，容易引起led灯亮度的突变和闪烁现象。

技术实现思路

1、1.要解决的技术问题

2、针对现有技术中存在的调光不均匀的问题，本技术提供了一种调制led背光的方法，通过判断高低灰度状态和pwm调制等，提高了整个灰度范围内的调光均匀性。

3、2.技术方案

4、本技术的目的通过以下技术方案实现。

5、本说明书提供一种调制led背光的方法，包括采集led的亮度数据并输入至驱动芯片的输入接口；驱动芯片根据预设的有效位数n，从输入的亮度数据中的低位n位，作为有效亮度数据；驱动芯片判断有效亮度数据的位数n与驱动芯片的电流精度位数m的关系，如果n小于等于m，则确定对应的led为低灰度状态，反之确定为高灰度状态；当确定为低灰度状态时，驱动芯片采用电流精度调制生成pwm信号；pwm信号的脉宽固定为2m+1-1，电流精度根据有效亮度数据的大小进行变化；当确定为高灰度状态时，驱动芯片采用pwm脉宽调制生成pwm信号；pwm信号的电流精度固定为低灰度状态下的最大电流精度；pwm信号的脉宽根据有效亮度数据的大小进行变化；驱动芯片对生成的pwm信号进行打散处理；驱动芯片的输出接口输出打散处理后的pwm信号，以驱动和控制led背光的亮度。

6、其中，电流精度位数m决定了驱动芯片输出pwm信号时电流大小的调节级数。电流精度位数m的值越大，驱动芯片可调节的电流级数就越多，电流调节的精细程度就越高。在本技术中，当驱动芯片判断led处于低灰度状态时，会固定pwm信号的脉宽，而使用电流精度位数m控制输出电流的大小，从而实现对低灰度状态下led亮度的精细调节。电流精度位数m的典型取值范围为8位至12位。电流精度位数m是衡量驱动芯片调节输出电流大小精细程度的一个重要参数。m值越大，可调节的电流级数越多，led亮度的控制越精细。

7、具体的，本技术通过将电流精度控制和二分法拆分打散相结合，可以形成一套优化的led驱动pwm脉宽调制技术方案，高低位灰度数据的平滑过渡。二分法将灰度数据拆分为多个高低位部分，再通过电流精度控制实现高低位之间的细微调节，使得相邻灰度等级的切换更加平滑，减少了亮度突变的现象。对低比特位灰度数据进行重点处理，通过高精度电流控制单元实现微弱电流的精细调制，改善了低亮度区域的调光均匀性，减少暗斑和色斑。通过对高比特位灰度数据进行细分映射，结合精确的电流控制，使得高亮度区域的色彩过渡更加丰富自然，减少了色阶的丢失，提高了显示效果。针对不同色彩通道引入独立的电流反馈补偿机制，再结合pwm占空比的动态优化，可以抑制rgb三色led器件之间的亮度和色度误差，实现一致性更好的色彩表现。将pwm周期进行不规则的二分拆分打散，产生随机性的频谱分布，从而降低了电磁干扰，有利于系统稳定性和可靠性提升。本技术的led驱动pwm脉宽调制方案巧妙地将二分法拆分打散与电流精度控制结合，通过对灰度数据和pwm时钟周期的细化处理，较好地平衡了不同灰度区间的显示效果，改善低灰区暗斑、高灰区色阶丢失等问题，并兼顾了不同色彩通道的一致性补偿。

8、进一步的，当确定为低灰度状态时，驱动芯片采用电流精度调制生成pwm信号，其中：pwm信号的脉宽固定为最大值2m+1-1，m为驱动芯片的电流精度位数；电流精度根据有效亮度数据的大小进行变化，包含：驱动芯片将有效亮度数据的值作为电流精度值，用于生成pwm信号；电流精度值的范围为0至2m-1。其中，通过将pwm信号的脉宽固定为最大值2m+1-1，可以在低灰度状态下，利用全部的电流精度位数m来表示有效亮度数据，从而实现更加精细的亮度调节。同时，电流精度值直接对应有效亮度数据的值，使得亮度调节更加直观和便捷。

9、进一步的，当确定为高灰度状态时，驱动芯片采用pwm脉宽调制生成pwm信号，其中：pwm信号的电流精度固定为低灰度状态下的最大电流精度2m；pwm信号的脉宽根据有效亮度数据的大小进行变化，包含：驱动芯片将有效亮度数据的值右移m位，得到的结果作为pwm信号的脉宽值；pwm信号的脉宽值的范围为2n-m-1至2n-1。其中，通过将高灰度状态下的pwm信号电流精度固定为低灰度状态下的最大电流精度2m，可以确保高灰度状态下的亮度调节范围与低灰度状态的最大亮度相衔接，实现亮度调节的连续性。同时，通过将有效亮度数据右移m位得到pwm信号的脉宽值，可以在高灰度状态下利用剩余的n-m位有效亮度数据来控制pwm信号的脉宽，从而实现更大范围的亮度调节。

10、具体的，在低灰度状态下，pwm信号的脉宽是固定的，为最大值2m+1-1，而电流精度根据有效亮度数据的值进行调节，范围为0至2m-1。在高灰度状态下，pwm信号的电流精度是固定的，为低灰度状态下的最大电流精度2m，而pwm信号的脉宽根据有效亮度数据右移m位后的值进行调节，范围为2n-m-1至2n-1。

11、进一步的，电流精度位数m的取值范围8位至12位。其中，驱动芯片根据自身的硬件配置，确定电流精度位数m的取值；电流精度位数m的取值范围为8位至12位，即m的值可以是8、9、10、11或12；不同的电流精度位数m对应不同的低灰度状态和高灰度状态的划分边界，以及不同的pwm信号生成方式。通过合理选择电流精度位数m的取值，可以根据实际需求和硬件条件，在亮度调节精度和可调范围之间进行平衡，以达到最佳的调制效果。

12、进一步的，驱动芯片将生成的pwm信号进行打散处理，包括：驱动芯片采用二分法将生成额pwm脉冲信号分成两个组；对得到的每个组，驱动芯片再次采用二分法分成两个子组；重复执行二分法分组，直至将pwm脉冲信号分成多组。具体的，将pwm脉冲信号的偶数位置的脉冲划分为一组，奇数位置的脉冲划分为另一组；两个组中的脉冲在时间上交替分布，每个组内的脉冲保持原有的相对顺序；将每个组内脉冲的偶数位置的脉冲划分为一个子组，奇数位置的脉冲划分为另一个子组；两个子组中的脉冲在时间上交替分布，每个子组内的脉冲保持原有的相对顺序；分组的次数取决于pwm脉冲信号的总脉冲数和打散处理的要求；打散处理后，原始pwm脉冲信号被重新排列，相邻脉冲在时间上得到分散，减少了电磁干扰。通过对pwm信号进行打散处理，可以有效降低led背光驱动电路的电磁干扰，提高系统的稳定性和可靠性。二分法的多次应用，可以实现pwm脉冲信号的高度分散，获得更好的打散效果。

13、进一步的，驱动芯片将生成的pwm信号进行打散处理，还包括：驱动芯片统计分组后余数部分的pwm脉冲信号；驱动芯片将余数部分的pwm脉冲信号插入不同的子组中。具体的，余数部分的pwm脉冲信号是指不能被均匀分配到各个子组中的脉冲；驱动芯片记录余数部分的pwm脉冲信号的数量和位置；根据余数部分的pwm脉冲信号的数量，驱动芯片确定插入子组的策略；驱动芯片可以采用均匀分布、随机分布或其他合适的方式，将余数部分的pwm脉冲信号插入到不同的子组中；插入余数部分的pwm脉冲信号后，各个子组的脉冲数量可能略有不同，但总体上保持平衡。通过对余数部分的pwm脉冲信号进行特殊处理，可以确保打散处理后的pwm信号在时间上分布更加均匀，进一步减少电磁干扰的风险。同时，灵活的插入策略也为打散处理提供了更多的优化空间，以适应不同的应用场景和需求。

14、优选地，采用自适应插入算法模块，根据余数部分pwm脉冲信号的数量和分布特点，动态选择最优的插入策略，实现智能化、自适应的插入处理；其中，自适应插入算法模块分析余数部分pwm脉冲信号的数量、位置分布、占空比特征等参数，评估不同插入策略的优劣；常用的插入策略包括均匀分布、随机分布、伪随机分布、加权分布等，每种策略都有其适用场景和优缺点；均匀分布策略将余数部分的pwm脉冲信号平均插入到各个子组中，保证子组之间的平衡性，适用于对称性要求高的场合；随机分布策略根据随机数生成器的输出，将余数部分的pwm脉冲信号随机插入到不同子组中，引入随机性，降低emi风险；伪随机分布策略采用确定性的伪随机序列，将余数部分的pwm脉冲信号按照预定的规则插入到子组中，兼顾随机性和可重复性；加权分布策略根据子组的权重系数，将余数部分的pwm脉冲信号不均匀地插入到子组中，可以针对性地优化某些子组的性能；自适应插入算法模块根据pwm信号的特点和优化目标，自动选择最合适的插入策略，并动态调整策略参数，实现最优的插入效果。

15、优选地，采用子组容量均衡模块，通过动态调整子组的容量，使插入余数部分pwm脉冲信号后的子组容量尽可能均衡，减少子组间的差异；其中，子组容量是指每个子组中pwm脉冲信号的数量，反映了子组的负载和功率水平；子组容量均衡模块在插入余数部分pwm脉冲信号之前，先评估插入后子组容量的差异和分布情况；如果插入后子组容量差异过大，超出预设的阈值，则触发子组容量的再平衡过程；子组容量均衡模块通过从高容量子组中移出pwm脉冲信号，插入到低容量子组中，实现子组容量的动态均衡；子组容量均衡过程尽量选择对pwm信号影响较小的脉冲进行移动，避免引入新的干扰或失真；通过子组容量均衡，可以使插入余数部分pwm脉冲信号后的子组负载更加平衡，改善emi和功率分配的均匀性；

16、优选地，采用边缘匹配优化模块，在插入余数部分pwm脉冲信号时，优先选择与相邻脉冲边缘对齐的位置，减少脉冲信号的跳变，改善信号质量；其中，pwm信号的边缘跳变是emi的主要来源之一，边缘跳变越频繁、幅度越大，emi风险越高；边缘匹配优化模块分析余数部分pwm脉冲信号与相邻脉冲的边缘位置关系，寻找最佳的插入位置；优先选择与前后脉冲上升沿或下降沿对齐的位置进行插入，使插入后的pwm信号边缘跳变最小化；如果无法找到完全匹配的边缘位置，则选择最接近的位置进行插入，并通过微调脉冲宽度等参数，优化边缘匹配效果；边缘匹配优化可以减少余数部分pwm脉冲信号插入后引入的额外边缘跳变，提高pwm信号的连续性和平滑性，降低emi风险。

17、进一步的，驱动芯片将生成的pwm信号进行打散处理，还包括：驱动芯片对打散处理后的pwm信号进行滤波处理；驱动芯片对滤波处理后的pwm信号进行放大处理；驱动芯片将放大处理后的pwm信号通过输出接口输出，以驱动led背光。具体的，采用低通滤波器对pwm信号进行平滑，去除高频噪声和毛刺；滤波处理后的pwm信号具有更加平稳的波形，减少了对led背光的干扰；采用功率放大电路对pwm信号进行功率放大，提高驱动能力；放大处理后的pwm信号幅值更大，能够直接驱动led背光，无需额外的驱动电路；pwm信号经过滤波和放大处理后，具有良好的信号质量和驱动能力；led背光根据接收到的pwm信号，准确、稳定地调节亮度，实现高质量的显示效果。通过在输出pwm信号之前进行滤波和放大处理，可以进一步提高led背光的驱动质量和稳定性。滤波处理消除了pwm信号中的高频干扰，而放大处理则确保了pwm信号具有足够的驱动能力，从而简化了led背光的驱动电路设计，提高了系统的可靠性和效率。

18、优选地，设置自适应滤波器模块，用于根据pwm信号的特性和噪声环境，动态调整滤波器的参数，实现最优的滤波效果；其中，所述自适应滤波器模块监测pwm信号的频率、占空比、幅值等特征参数，以及环境中的噪声水平和频谱分布；根据监测到的信号和噪声特征，自适应地选择最合适的滤波器类型和阶数，如巴特沃斯滤波器、切比雪夫滤波器等；通过优化滤波器的截止频率、通带波动和阻带衰减等指标，使滤波器的频率响应与pwm信号的频谱特性相匹配；自适应滤波器模块能够跟踪pwm信号和噪声环境的变化，实时调整滤波器参数，保证滤波效果的稳定性和鲁棒性；多级滤波架构，通过级联多个滤波器单元，实现对pwm信号的精细化滤波处理，提高滤波性能和灵活性；其中，多级滤波架构包括预滤波、主滤波和后滤波三个阶段，每个阶段可以独立配置滤波器类型和参数；预滤波阶段采用简单、低阶的滤波器，如一阶rc滤波器，用于去除pwm信号中的高频尖峰噪声，减轻后级滤波器的负担；主滤波阶段采用高阶、高选择性的滤波器，如高阶巴特沃斯滤波器，用于在保留pwm信号基带的同时，严格抑制噪声和干扰成分；后滤波阶段采用平滑、低纹波的滤波器，如多级rc平滑滤波器，用于消除主滤波阶段输出的残余纹波，得到高质量的pwm信号；通过多级滤波架构的协同工作，可以实现对pwm信号的全方位、精细化滤波处理，满足不同应用场景的需求；

19、优选地，采用类d功率放大器，采用开关式工作模式，通过pwm信号直接控制功率开关管的导通和关断，实现高效、低损耗的功率放大；其中，类d功率放大器主要由功率开关管、电感和电容等元件组成，构成一个开关式功率转换电路；pwm信号经过滤波处理后，直接作为控制信号输入到功率开关管的控制端，决定开关管的导通和关断状态；当pwm信号为高电平时，功率开关管导通，将直流电源连接到负载(如led背光)上，对负载进行充电；当pwm信号为低电平时，功率开关管关断，负载通过电感和电容形成的谐振回路进行放电，维持电流连续；通过快速切换功率开关管的状态，可以将pwm信号调制为高功率的脉冲电流，直接驱动led背光，无需额外的线性放大电路；类d功率放大器具有效率高、发热小、体积小等优点，非常适合应用于便携式和低功耗的led背光驱动场合；

20、优选地，采用自适应死区控制模块，用于动态调整功率开关管的导通和关断时序，避免上下桥臂短路，提高类d功率放大器的可靠性；其中，自适应死区控制模块监测功率开关管的导通和关断状态，根据負載电流和温度等条件，预测最优的死区时间；死区时间是指上桥臂关断到下桥臂导通之间的时间间隔，用于确保上下桥臂不会同时导通，避免短路损坏；自适应死区控制模块通过在pwm信号中插入死区时间，动态调整上下桥臂的开关时序，实现最优的死区保护；死区时间的插入和调整过程对pwm信号的占空比和频率影响很小，不会显著改变led背光的亮度和效果；通过自适应死区控制，可以在保证类d功率放大器可靠性的同时，最大限度地减小死区时间，提高功率转换效率。

21、进一步的，驱动芯片根据预设的有效位数n，从输入的亮度数据中提取低位n位作为有效亮度数据时，有效位数n的取值范围6位至14位。具体的，驱动芯片根据led背光的色彩要求和调制精度需求，确定有效位数n的取值；有效位数n的取值范围为6位至14位，即n的值可以是6、7、8、9、10、11、12、13或14；不同的有效位数n对应不同的亮度调节精度和可调范围，较大的n值可以提供更细腻的亮度调节，但也会增加数据传输和处理的复杂度。通过合理选择有效位数n的取值，可以在亮度调节精度、可调范围和系统复杂度之间进行权衡，以满足不同应用场景的需求。较大的n值适用于对亮度调节精度要求较高的场合，而较小的n值则更适合对成本和效率要求较高的场合。

22、进一步的，采用led的亮度数据并输入至驱动芯片的输入接口时，led背光的颜色包含红色、绿色和蓝色。具体的，led背光由多个红色、绿色和蓝色的led组成，通过调节三种颜色led的亮度，可以实现不同颜色和亮度的背光效果；驱动芯片的输入接口接收红色、绿色和蓝色led对应的亮度数据，分别进行处理和调制；对于每种颜色的led，驱动芯片独立生成对应的pwm信号，以实现独立的亮度调节。通过对红色、绿色和蓝色led分别进行亮度调制，可以实现led背光的全彩色控制，提供更加丰富和逼真的显示效果。驱动芯片对三种颜色的led独立调制，确保了各个颜色通道之间的独立性和精确性，避免了颜色失真和亮度不均的问题。

23、进一步的，采集led的亮度数据并输入至驱动芯片的输入接口时，驱动芯片和led背光之间采用spi总线连接。具体的，驱动芯片的输入接口通过spi总线与led背光的控制电路相连；led背光的控制电路通过spi总线将红色、绿色和蓝色led的亮度数据发送给驱动芯片；驱动芯片通过spi总线接收亮度数据，并根据spi通信协议进行解析和处理；spi总线提供了高速、可靠的数据传输通道，确保了亮度数据的实时性和准确性。通过采用spi总线连接驱动芯片和led背光，可以建立高效、稳定的数据传输通道，简化了系统的接口设计和布线复杂度。spi总线支持高速的串行数据传输，减少了并行数据线的数量，降低了系统成本和功耗。同时，spi通信协议也提供了良好的数据校验和错误处理机制，提高了数据传输的可靠性和稳定性。

24、3.有益效果

25、相比于现有技术，本技术的优点在于：

26、结合了pwm脉宽调制和电流精度调制，使得led背光调制更加灵活高效。无论led的亮度数据有效位是大于设置的电流精度还是小于等于设置的电流精度，都能够采用最优的调制方式，以提高led背光显示的质量和性能；

27、对于高灰度显示，采用pwm脉宽调制，解决了电流精度过大所带来的显示均匀性差和亮度不易控制的问题；对于低灰度显示，采用电流精度调制，解决了传统pwm调光方式可能出现的“麻点”问题，并提高了低灰度显示的刷新率，从而提升了显示质量；

28、结合了pwm脉宽调制和电流精度调制的优势，使得led亮度控制更加精确。通过调节驱动脉冲的占空比和幅值，可以更准确地调整led的亮度，满足不同场景的需求；

29、通过混合调制方式，改善了led在低亮度下的显示效果，降低了可能出现的闪烁或颤动现象，提升了视觉舒适度。同时，提高了显示的均匀性和稳定性，增强了用户的视觉体验；

30、通过合理结合pwm脉宽调制和电流精度调制的特点，提高了led的能效。在保持led亮度稳定的情况下，降低了功耗，提升了led的整体能效。