現今，許多高階的行動電話都要能支援高畫素照相、行動數位電視、MPEG-4影片播放及視訊會議等功能。為了提高行動電話的顯示品質，設計人員普遍都會採用紅綠藍(RGB)發光二極體(LED)背光照明技術。雖然這項新技術可以顯著地強化顯示器的色域(Color Gamut)，但對於實際的設計而言，卻比白光LED困難許多。本文將介紹RGB背光照明技術的功能優點與設計上所面臨的挑戰，以及如何在行動電話顯示器上驅動RGB LED背光的最佳解決方法。
可攜式裝置應用一般包含多個子系統，隨著顯示器的尺寸不斷變大，顯示器品質的優劣便成為是否能在市場取得差異化的利器。包括背光裝置、色彩管理晶片、閃光燈LED以及顯示器介面等手機的幾個重要元件都可能會影響顯示器的整體品質。
逼真度/節能/尺寸缺一不可可攜式裝置背光照明受重視
在可攜式裝置的背光照明設計所面臨的挑戰中，色域可以影響畫面的「逼真度」。
消費者希望在可攜式裝置上顯示的畫面能夠盡量接近實物或實景。同時，顯示器的耗電量也不能夠太大以免影響行動電話的使用時間，因此顯示器的節能技術也很重要。此外，從可攜式裝置的角度來看，顯示器尺寸絕對是重要的考量因素。因此，為了滿足市場的需求並設計出成功的產品，今天的工程人員必須克服種種嚴峻的挑戰。
雖然冷陰極燈管(CCFL)/白光發光二極體(WLED)是目前較為普遍的顯示器背光照明設計技術，不過RGB LED背光照明設計正快速的崛起。以下將分別評估這兩種背光照明技術的優缺點以及所面臨的設計挑戰。
RGB完整滿足使用需求
目前大多數採用CCFL照明的顯示器，大約可以覆蓋40～76%的彩色電視廣播標準(NTSC)色域，而採用RGB LED背光照明技術的顯示器，其NTSC色域覆蓋率可超越100%，這是肉眼都可以分辨出來的差別。
但對比較高階的行動顯示器而言，存在著幾個主要的設計挑戰：究竟如何才可以重現最逼真的影像？如何在高效率及小尺寸條件下實現高畫質？以及如何解決掀蓋式電話和旋蓋式電話的背光照明設計問題。
一般而言，白光LED包含一個藍色或接近紫外光的發光晶片，上面塗有磷光劑材質，該磷光層會吸收從LED發射的光線，再以較長的波長發射出來。可是由磷光劑所產生的光子會有超過一半散射回LED晶片，導致很大部份的光線被吸收掉，導致白光LED的整體光輸出量減少(圖1)。
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| 圖1 含磷白光LED的典型放射光譜 |
白光LED擁有一個很強的藍光波峰及一個比藍光低但較寬廣的磷黃光波峰，而不同的藍光及黃光強度組合便可產生不同的光線頻色，可以讓呈現的顏色比較白或比較藍。
如圖2所示，白光LED的光譜與彩色LCD的彩色濾光片並不匹配，導致部分能量耗散。此外，由於必須為WLED的光譜進行伽瑪校正(Gamma Correction)，因而損失了色彩的深度，尤其在紅色的部分。
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| 圖2 WLED與彩色LED濾光片頻譜分配 |
RGB LED的回應(圖3)共有三個波峰，分別來自於紅、藍以及綠色的LED。每個波峰的振幅都可以獨立控制，從頻譜的比較可看到白光LED在紅光頻譜範圍內的回應較弱，因此這範圍內的視覺靈敏度也很低。
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| 圖3 RGB 背光及LCD彩色濾光片 |
使用RGB背光照明技術的優點顯而易見，除了毋須加上黃色，也不必使用多色彩磷光層。另外，RGB背光照明技術擁有寬廣的色域(>100% NTSC)。此外，由於是採用光的三原色關係，它還可進行白點(即三原色重疊區域的中央位置)調節。
即使將流經LED的電流保持固定不變，LED的亮度(圖4)還是其作業溫度的一個函數，因此LED的光亮度會隨溫度的變化而呈現動態性變化，當中以紅色光的變化與溫度變化相關性最高。
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| 圖4 LED亮度與溫度之關聯性 |
圖5中的「封閉式迴路」控制可以確保整個工作溫度範圍內的白平衡，其中脈衝寬度調變(PWM)邏輯會根據周遭環境的溫度，然後透過改變PWM的工作週期(12位元解析度)為紅、綠及藍光LED進行光亮度補償。RGB的光度特性可由客戶預先程式化，並且燒錄在1kb的電子可讀寫可編程唯讀記憶體(EEPROM)記憶體內。
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| 圖5 燒錄在EEPROM內的RGB特性 |
RGB LED大幅提升效率
RGB背光照明的效率取決於三個因素，可以藉由採用可適性輸出電壓、加強LED的驅動能力--即加強PWM對LED電流的控制，以及減少紅光LED驅動器的損耗，以及彩色濾光片的傳輸能力等方面提升效率。
以市面上的升壓轉換器作為加強效率的一個實例可以看出，使用該轉換器後，即使遇上大的電壓增益和4.7微亨利(μH)、3毫米×3毫米×1毫米的小型電感器，系統都可得到卓越的效率。此外，可適性升壓控制能夠自動地以每級0.25伏特的幅度將輸出電壓調節到最小的要求，毋須為了遷就製程技術或溫度變化而為LED順向電壓(Vf)變化預留空間。
表1比較了WLED和非最佳化RGB LED驅動之間的效率。在整個測量過程中，WLED都以直流電壓去驅動，其結果會因為供電變化、測量設定以及儀器的不同而變化。結果顯示WLED的效率比非最佳化RGB驅動高出25～30%。
| 表1 未經最佳化RGB與WLED的比較 |
| RGB的PWM驅動器 |
RGB |
WLED |
| 亮度 (lux) |
5,300 |
5,300 |
| PWM R / WLED |
75% |
100% |
| PWM G |
76% |
- |
| PWM B |
47% |
- |
| 輸入電壓 (V) |
3.7 |
3.7 |
| 輸入電流(mA) |
174 |
135 |
| 功率 (mV) |
643.8 |
499.5 |
| RGB 功率對 WLED |
+29% |
- |
將RGB驅動中的PWM控制(表2)最佳化，效率可達到大約15%的提升，即使由於功率較高而導致PWM值在開始時較高，進而使背光照明的溫度提升到70℃。
| 表2 經最佳化RGB與WLED的比較 |
| RGB的直流驅動 |
RGB |
WLED |
| 亮度 (lux) |
5,300 |
5,300 |
| PWM R / WLED |
100 |
100 |
| PWM G |
100 |
- |
| PWM B |
100 |
- |
| 輸入電壓 (V) |
3.7 |
3.7 |
| 輸入電流(mA) |
154 |
135 |
| 功率 (mV) |
569.8 |
499.5 |
| RGB 功率對 WLED |
+14% |
- |
然而在較低的亮度下(即較低功率及溫度)，RGB在驅動效率方面的改善比WLED來得更好。同時，WLED的亮度會受溫度影響，RGB的亮度則可以保持穩定。
另外，在相同的色域條件下，由於RGB可以使用比較廣泛的彩色濾光片，使得其效率可進一步改善。因此，在相同的色域下，只要彩色濾光片的光傳輸率有10%的改善就可以為整體的光輸出量帶來約43%的改進，從4.7%進步至6.7%，而在色域加大20%的條件下，假如光傳輸率獲得4%的改善，整體的光輸出量便可有17%的提升。
單從背光的比較可以推斷RGB的效率比WLED的效率低了15～30%。可是，經過最佳化處理後的RGB LED背光，其優點可將弱勢扭轉過來。
彩色濾光片最佳化可以為採用RGB背光照明技術的顯示器帶來20～40%的節能效果，如果同時改善紅光LED的電源供應，則可額外節省10～15%的功耗。此外，赫姆霍茲-科爾勞施(Helmholtz-Kohlrausch)效應更可以利用飽和色調去進一步加強節能。換句話說，僅僅改善彩色濾光片最佳化便可使RGB變成一個高能源效益的解決方案。
適度調節電壓有效克服溫度挑戰
由於RGB背光照明技術的亮度與溫度有直接的關係，因此大部分的LED應用都須要加入某種形式的溫度補償措施，以便減緩溫度變化對亮度及顏色純度的影響。然而，應該要如何去實現這種溫度補償？
透過採用RGB背光驅動器，將能夠達到100%的NTSC顏色飽和度，意即最光亮的色彩，並且可在整個寬廣的操作溫度範圍內實行白平衡補償。此外，還可在生產測試階段中設置白平衡點，並且毋須使用色彩感測器作為補償。除了溫度感測器介面外，背光驅動器還整合環境光線感測器介面，其封裝也非常小巧，適合使用於行動應用的裝置上。
圖6為背光驅動器的應用電路圖，從圖中可見該裝置擁有一個磁性升壓轉換器，它可從電池電壓產生出高達20伏特的LED電源供應電壓。至於輸出電壓則可以每級1伏特的形式從5伏特調節到20伏特。紅、藍及綠三個獨立的LED驅動器都擁有準確的可調節電流值流入及PWM調變控制。在可適性模式下，電路能夠自動地將輸出電壓調節到最小的要求以降低功耗。
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| 圖6 RGB LED背光驅動器應用電路圖 |
RGB LED背光照明技術由於具備更寬廣的色域，因此可以提升LCD的顯示品質。對於要求較高顯示品質的消費性電子產品來說，建議採用RGB LED背光照明技術。對行動裝置顯示器而言，效率和尺寸無疑是選擇LED驅動器的關鍵因素，因此在設計過程中，適當的背光驅動器可幫助設計人員克服種種RGB LED背光照明設計的挑戰。
(本文作者任職於美國國家半導體)