LED背光技术及需求

本文主要介绍LED背光的兴起，并分析能够摆脱背光需求的OLED显示技术。背光是显示系统中耗电量最大的部分，除了特别大的屏幕，LED已经几乎在大部分显示屏中取代了CCFL，大幅降低耗电量，但如果不加以有效管理，背光仍然会过度消耗电源。

LED背光的优势与缺陷

LED背光目前已是10.4英寸以下工业显示板标准，甚至在15英寸以下也可选择。由于LED使用直流供电，驱动更简单，无需换流器，效率得到提升，电源消耗随明亮度增加约成线性增长，简化了电源管理。因此，大多数中小型显示屏目前都安装了LED。

虽然LED背光拥有明显优势，但也存在一些缺陷。白色LED并不是真正意义上的白色，实际上是蓝色LED加黄磷产生的白光，光谱曲线上绿色和红色部分中存在间隙。为实现最佳色彩平衡，质量上乘的LCD显示屏安装的是RGB背光。

不管型号大小如何，大多数显示屏都需要一个以上的LED才能实现可接受的明亮度，不同LED之间的亮度均匀性则更难实现，特别是当LED老化时问题更加严重。电源效率也是要考虑的问题。制造商使用MEMS和其他光导技术将光照扩散到更大的区域，实现最大明亮度和均匀度。

图1：日立TX17 6.5英寸LCD显示屏，LED背光

实现LED背光利用最大化

LCD显示屏的性能各不相同，重点参数包括明亮度、对比度和可视角度。明亮度的标准较为规范，由黑暗房间内背光驱动最大化、所有像素呈白色情况下每平方米坎德拉数确定。对比度数值比较起来相对难一些，因为关于对比度存在不同的解释，不过基本上都是将系统能够呈现的最亮色彩（白色）与最暗色彩（黑色）的亮度相比较。可视角度则比较主观。

显示明亮度受到TFT显示屏传输率的影响。每个像素都由薄膜晶体管所控制，但晶体管会将该像素的一小部分遮蔽住。通过使用低温多晶硅（LTPS）等技术，能够缩小该晶体管的规模。

图2：AMOLED 3.5英寸OLED显示屏评估板

根据性能数据，可以列出一些显示屏以供选择，但如果要求在苛刻条件下也要实现良好可见度，对电能消耗也有要求的话，最佳建议是在若干不同显示屏上模拟实际应用，在每个案例中衡量背光电源，其中要考虑显示屏使用环境的环境光、可能的可视角度等因素。有时候对承载关键信息的色彩进行改变也会对显示性能产生影响。

OLED——无背光技术

LCD的驱动自身消耗能源极低，而且显示系统的能耗几乎全部为背光所需，只要电源不关掉，背光通常会照亮所有显示区域。

相比之下，OLED是放射式技术。每一个像素都放射出自己的光，未启动时不会发光，几乎不耗能。与背光LCD显示屏不同，OLED能够产生真正意义上的黑色，对比度大幅提高，通常为10000:1，而传统的TFT显示屏则为400:1。OLED也更加明亮，其中一个原因是LCD显示屏的成对偏光片会过滤掉背光放射出的一半灯光，而OLED不需要成对偏光片。

图3：Bolymin 240x320 RGB 2.4英寸主动式矩阵OLED显示屏

从审美角度看，OLED技术凭借强化后的明亮度和对比度也绝对优于LCD。OLED显示屏的反应时间通常是50μs，而LCD是25ms，这意味着OLED全动态视频速度得到提升，灰阶再现品质大幅优化。

根据上述原因，虽然OLED成本更高，寿命更短，但越来越多造型/性能很酷的消费产品对此加以采用，比如索尼的X系列Walkman随身听，诺基亚N85和微软Zune HD等产品。OLED技术也出现在工业市场上，配以开发和评估工具包，适用于各种型号（0.79至7.0英寸）和分辨率（64×48至480×272）。

OLED电源管理

OLED显示屏的能源消耗值并不是固定的，而是取决于当时显示的图像。典型视频和图片显示应用时，实现全部像素充分发光所消耗的功率只有理论“最大”值的25%。对功耗要求严格的应用来说，还可通过图像设计来降低功耗。例如，以负性模式（黑底白字）显示图像比正性模式（白底黑字）要更加节能，因为只需要启动约十分之一的像素。

像素明亮度也影响着功耗。节省能源的方法既包括在环境光允许条件下降低所有像素明亮度，也包括对环境光敏感的明亮度管理，如把菜单中无法选择的选项调暗等操作。降低明亮度还可延长显示屏寿命。当电源要求非常苛刻时，也可以考虑改变常用菜单颜色，因为红色和绿色像素要比蓝色更加节能。

由于OLED像素的电容特性，刷新频率对功耗也有影响。很高的帧频会增加充电周期次数，进而增大功耗，同时也会让显示变暗，因为像素在每次刷新周期中没有时间充分充电。在不导致可视图像“抖动”的前提下，刷新速率设置应尽量压低。通常来讲，比较合适的刷新频率为75赫兹，不过有时候低达60赫兹也可以蒙混过关。

因为OLED是放射式技术，持续使用中像素退化过程会非常缓慢。一方面可以使用待机模式和超时模式来放缓老化过程，另一方面也可以考虑设置屏保。屏保中使用的像素数目和像素明亮度可以根据上述介绍进行管理。

图4：诺基亚N85电话，OLED显示屏

小结

当今世界便携式产品一方面要求降低能耗、重量和成本，而另一方面要求添加多媒体功能，连最单调的测量测试系统也要进行美观设计，导致两方面存在着矛盾冲突。移动电话市场就像一个大试验场，各种旨在调和双方矛盾的新技术都可以拿到市场上进行实验。当年LED背光首先就应用在移动电话显示屏上，现在已经成为工业市场上中小型显示屏的普遍标准。OLED技术似乎也会遵循同样的发展道路。

作者：Mike Caddy

产品经理（显示屏）

RS Components