第三章 系統架構與軟硬體設計
3.3 LED D RIVER 硬體結構及驅動方法
3.3.6 負載端供應電壓設計(VLED)
為 使 封 裝 體 散 熱 能 力 達 到 最 佳 化 ， 建 議 輸 出 端 電 壓 (VDS) 的 最 佳 操 作 範 圍 是 0.4V~1.0V。
VDS=VLED – Vf 且VLED =5V時，此時過高的輸出端電壓(VDS)可能會導致 PD(act) >
PD(max)；在此狀況，建議儘量可能使用較低的VLED電壓供應，也可用外串電阻或Zener
diode當做VDROP。此可導致VDS=(VLED – Vf) – VDROP，達到降低輸出端電壓(VDS)之效 果。外串電阻或Zener的應用圖可參閱下圖3.19，因考量流經LED電流的可調整性，所以 本實驗電路設計所採用的是外串電阻方式，以便於R、G、B LED電流的微調。
圖3.19 (a) 外串電阻；(b) 外接Zener diode 之應用電路圖
3.4 分區掃描式色序法(Scanning FSC) 動作原理
本實驗的主要研究目的是為了降低LCD在顯示動態影像時因LC response time太慢所 產生的動態影像模糊效應，並可提高影像顯示的色彩飽和度。因此在背光的驅動方式同 時採用”掃描式背光”與”色序式背光系統”的優點來設計改良。其中必須遵守以下規則：
1. 將整個背光板分為10個區段，每區各有3顆R-G-B 3in1 LED，每顆LED都可被獨立控 制點亮，並將LED依序由第一區掃描到第十區。
2. 由下圖可知，一個Frame分別由R-field、G-filed、B-field 3個subframe所組成，且配合 TFT LCD的畫面顯示掃描頻率因此一個Frame = 60Hz (約為16.67ms)；所以R-G-B field 的subframe則各須為180Hz (約為5.56ms)。
其中Addressing time = TFT array cell資料寫入時間＋液晶反應時間；
Flash time = LED back light實際點亮時間；
Wait time = LED back light 關閉之等待時間(確保背光完全滅掉後才可開始寫入下一 block的TFT array，避免光源影響下一Block的顯示。)
TFT 與 LED在色序法的時間關係如圖3.20所示，其數學表示如下：
[ 1 Field time ] = [ Scanning time of the whole Gate lines ] / [ Block number ] + [ Response time of Liquid Crystal ]
+ [ Backlight Flashing time ]
圖3.20 Time chart of field-sequent-color LCD with a 60 Hz frame rate
LED循序掃描動作是在TFT gate每完成一個block資料寫入動作 (在此定義為每個 block有48條line)，並等待LC response後，才開始一個Block點亮並持續2.5ms後再熄滅。
[3-5]
3. 考量TFT array cell資料寫入時間、液晶反應時間、LED back light點亮時間、背光關閉 之等待時間。因此每個Field須再細分為11個時間單位，其中TFT array cell資料寫入時間
=1T、液晶反應時間=4T、LED back light點亮時間=5T、背光關閉之等待時間=1T (T表 示1個時間單位，T=5.56/11 ms約為0.51 ms)。詳細時間關係如圖3.21所示。[3-6][3-7][3-8]
圖3.21 TFT array cell與LED Backlight scan之相對時序圖
本實驗是以VGA (640 x 480 pixel)解析度為顯示模式，因此上圖每區(Block)各有48條 TFT掃描線(Scan Line)；1個Frame共10區，所以有480條掃描線。
4. 下圖3.22紅、綠、藍各箭頭所指位置表示TFT array 寫入的時間；接著是液晶反應之等 待時間其目的即是為了避免液晶反應太慢而造成影像模糊的現象；而LED trun ON佔整 個field 約40%的時間。以下為詳細的R-G-B Sequential掃描動作時序圖。[3-9]
圖3.22 TFT array scanning 與LED Backlight scanning 相對時序圖
3.5 背光模組結構設計
本實驗中掃瞄式色序法背光模組主要是由三個主要元件結構所組成，分別為1.光學 機構的側邊準直棒(Side-Collimating Bar或Light-Collimating bar) 及 2.微結構分離式導光 板(Micro-Structured Divided Light Guide)與3.LED Light Bar等三個部份所組成，如圖3.23 所示。其中第1及第2項各設計構想與原理請參考相關論文[3-10]與[3-11]。
圖3.23 LED 掃描式色序法背光模組架構圖
圖3.24為詳細的背光模組尺寸規格圖，長165mm、寬120.45mm、厚3mm； 其TFT LCD 面板可視區為120.45 x 155 mm2。
120.45 mm 165 mm
155 mm
3 mm
120.45 mm 165 mm
155 mm
3 mm
圖3.24 LED 背光模組尺寸規格 x y
z
Side-collimating bar
2 Side LED Light Bar 3-in-1 R,G,B LED Package Backlight scanning
order
Micro-structured divided light guide
針對本實驗的背光模組架構(如圖3.25所示)，因整個面板分為10個區段，每區各為 一片獨立的導光板。因此LED Light bar 設計亦需分隔為10區，每個區段由3顆LED串聯 組成，且每個區段的LED都可獨自發出R、G、B三色光，以達到Field Sequential Color 及R、G、B Scanning的功能效果。
在LED Light Bar尺寸設計上為配合Light Guide使用，其設計規格：每一區之間隔距 離 為 12.05mm、而左右2邊為配合機構所以為12.025mm，因此總長120.450mm、寬 3.000mm。LED間隔距離之設計考量為使一區能容納3顆LED，並達到最佳發光效率因此 間隔距離則為4mm，另外，為使LED能精確對應到側邊準直棒(Side-Collimating Bar)，所 以LED到PCB板邊的距離為1.5mm置中擺放。
圖3.25 LED Array 尺寸圖
3.6 LED 硬體驅動電路設計
因我們所設計的Light Bar每區各有R,G,B 3個Channel，全部有10區因此共有30 channel。而一顆MBI5028可驅動16個LED Channel，所以需2顆MBI5028 LED Driver IC 訊號串聯才可完整控制Light bar上的30顆LED。因此LED驅動IC-1使用16個輸出channel 來對前面的16個LED Channel做控制，而LED驅動IC-2則使用14個輸出channel來對另外 的14個LED Channel做控制，如圖3.26 LED驅動電路圖所示。
由3.2節LED電氣特性可知當LED工作在30mA時其RGB發光效率最佳，其相對應的 RGB順偏電壓分別為VR =2.1V、VG =3.1V、VB =3.5V。因此為使LED驅動IC能穩定輸 出30mA電流，其R-EXT外接電阻需設計如下：
由3.3.2節調整output channel輸出電流設計方式及圖3.13 Rext-Iout特性曲線圖可整理 出以下設計公式：
Iout=(VR
∵ -ext / Rext)x15 VR-ext=1.4027V (IC預設值) Iout=30mA (最佳亮度目標值) 則由以上算式可求的Rext如下：
Rext=(1.4027x15)/30mA
=700 ohm
圖3.26 所示U31為前16顆LED的驅動IC、U32則為後14顆LED的驅動IC。而U31的 output0~output15共十六根接腳是前16顆LED的驅動IC輸出訊號，分別接到圖3.27 LED Light Bar的16顆LED輸入端；而U32的output1b~output10b共十根接腳是後10顆LED的驅 動IC輸出訊號，分別接到圖3.27 LED Light Bar的14顆LED輸入端。
U31
一組LED Light Bar共分10個區段，每區由3顆RGB三合一LED所組成，因此共需30顆 LED，如圖3.27所示。VLED是供給LED Light Bar所需電壓源。而R1~R30則做為限流電 阻以避免電路過載時將LED燒燬。
由3.2節LED電氣特性可知當LED工作在30mA時其RGB順偏電壓分別為VR =2.0V、
VG =3.3V、VB =3.4V。因此其限流電組分別須設計如下：
由3.3.6節負載端供應電壓設計方式可整理出以下設計公式：
∵ VDS=(VLED-Vf)-Vdrop VDS= 1V (Opt. range)
∴ VDROP=(VLED-Vf)-VDS Rdrop=Vdrop/30mA
因VLED為LED供給電壓源=17V；Vds是MBI5028 Channel端電壓=1V，代入以上公
LED驅動IC-1
LED驅動IC-2
Rdrop-R= [VLED – (3 x VR) –Vds] / 30mA = [17–(3x2)-1] / 30mA
=330 Ω
Rdrop-G= [VLED – (3 x VG) –Vds] / 30mA = [17–(3x3.3)-1] / 30mA
=210 Ω
Rdrop-B= [VLED – (3 x VB) –Vds] / 30mA = [17–(3x3.4)-1] / 30mA
=200 Ω
圖3.27所示即為電路設計後的LED Light Bar電路圖。
G
3.6.2 LED Light Bar 驅動電路成品
因本實驗所採用的光源為側邊入光式，所以必需製作左側及右側的Light Bar 各一 片，以使光源能同時由左右兩側進入Light Guide。如以下圖3.28所示為背光模組架構圖：
圖3.28 Back Light架構圖
實際完成的LED Light Bar實體電路如圖3.29。由對應圖3.27可得知U31、U32分別為 G-R-B LED的驅動控制IC；JP1為控制訊號輸入端子；U1~U30為30顆LED組成的Light Bar，共分為個10區段。
圖3.29 右側LED Light Bar 完成實體電路 Layout完成的LED Light Bar電路圖請參考附錄一。
控制訊號輸入端子 LED共分10區
LED驅動IC-2 LED驅動IC-1
3.7 掃描式色序法之軟體設計與驅動控制
本節我將說明如何以數位控制的方式來實現3.4節所介紹的掃描式色序驅動法。首 先我將圖3.21的時間-空間之相對關係整理出來，如圖3.30所示。橫軸設為時間軸；LED turn ON/OFF之順序則設為縱軸(空間軸)，並將R-G-B LED的Turn ON順序完整標示出。
為整理出其真值表(Truth Table)與布林代數式(Bool)，因此再將時間軸依R-G-B的顯 示時間關係分為A、B、C、D共4個時區，每區再細分為11個小時區(因TFT array LC response time + LED ON time+ Wait LED Off time =5.56ms=11 T)。同理，因將畫面分為 10區(Block)，所以也須將空間軸分為10區。
圖3.30 Scanning FSC演算法之 時間-空間 相對關係圖
下頁表.3.5 即是以圖3.30為架構所推算出的分區掃描式色序法真值表
表3.5 Scanning FSC 演算法真值表
6C 0 0 0 0 1 0 0 1 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 12 40 00 04
7C 0 0 0 0 1 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 1 0 0 12 00 00 24
8C 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 1 0 0 1 0 0 10 00 01 24
9C 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 1 0 0 1 0 0 1 0 0 00 00 09 24
10C 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 1 0 0 1 0 0 1 0 0 1 0 0 00 00 49 24
11C 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 1 0 0 1 0 0 1 0 0 1 0 0 0 0 0 00 04 49 20
1D 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 1 0 0 0 1 0 0 1 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 00 24 49 00
2D 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 1 0 0 1 0 0 0 1 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 01 24 48 00
3D 0 0 0 0 0 1 0 0 1 0 0 1 0 0 1 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 09 24 40 00
4D 0 0 1 0 0 1 0 0 1 0 0 1 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 49 24 00 00
5D 0 0 1 0 0 1 0 0 1 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 49 20 00 00
6D 0 0 1 0 0 1 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 49 00 00 02
7D 0 0 1 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 1 0 48 00 00 12
8D 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 1 0 0 1 0 40 00 00 92
接下來將針對表.3.5 掃描式色序法真值表做詳細說明，首先將其橫軸規劃為空間軸 (Space Axis)，因圖3.30將空間軸分為10區，且每一區段各有3顆LED，因此每一區段需 再細分為3等份。換句話說，對應到實際Light Bar電路上共有30顆LED。另外，縱軸則 設定為時間軸(Time Axis)，依R-G-B的顯示時間關係分為A、B、C、D共4個時區，每一 時區再細分為11個小時區T(因TFT array LC response time + LED ON time+ Wait LED Off time =5.56ms=11 T)。
接著開始設計真值表的內容值，因在R LED點亮前的5個T時間為LC反應時間，所
表3.8 真值表-3 (區段1&2 R-LED點亮)
其餘同理以此類推，而綠光與藍光LED的真值表推演方式亦同紅光表示法。詳細請 參考表3.5 Scanning FSC 演算法真值表。
為實現掃描式色序法的功能，在控制系統所輸出給LED驅動IC的控制訊號必須符合 圖3.31的Scanning FSC控制時序圖，其所表示為Subframe同步訊號與Frame訊號之相對關 係。其中Frame interval表示TFT array掃描完一個畫面所需的時間為60Hz工作頻率；
Sub-frame interval則是掃描式色序法中R-G-B背光掃完一個畫面所需的時間為180Hz工 作頻率；因此R-G-B各LED 所需的發光時間則為2.52ms [ (16.67ms /3 RGB / 11T) x 5T = 2.52ms ]。[3-4]
圖3.31 掃描式色序法背光控制時序圖
下圖3.32為掃描式色序法的程式控制流程圖，開始為系統初始參數值設定，接著則 進行LED的各別點亮驅動與時序控制。
第四章 實驗結果與量測
4.1 控制系統電氣特性量測
在完成背光控制系統後，為確認由系統控制電路所送出的控制訊號是符合設計規格，
因此須進行相關的電氣特性之量測。下圖4.1是使用示波器量測實際Frame與R、G、B掃 瞄頻率，圖4.2則是由示波器CH1所量測結果可得Frame rate為59.99Hz。表示此控制電路 可將Frame rate掃描頻率精確控制到TFT LCD顯示一個畫面所需的掃描頻率60Hz的工作 頻率，以實現Scanning- FSC的動作要求。
實驗所使用之設備及測量儀器：
1. 一台Pentium 4 PC電腦
2. 一台Triple output DC Power Supply (安捷倫Agilent E3631A) 3. 一台數位示波器 (Tektronix TDS2024 4-Channel )
4. 一台光照度計
5. 一台Digit Multimeter (安捷倫Agilent 34401A)
圖4.1 Frame rate & Subframe rate 實際輸出 註: CH1 = Frame rate ; Ch2 = R,G,B Subframe rate
R G B
圖4.2 Frame rate訊號 = 60 Hz (16.7ms)
接下來再以示波器量測Red、Green、Blue 3種顏色各別的subframe rate，由圖4.4量 測結果可得R、G、B各Subframe在一個Frame時間內各佔了179.9Hz(相當於色序法切換頻 率180Hz)。表示此控制電路可將R,G,B掃描頻率精確控制到180Hz的工作頻率，以搭配 LCD的顯示速度並實現FSC-Scanning的效果。
下圖4.3 表示當以示波器水平掃除刻度SEC/DIV=2.5ms 時所量測到的Fram cycle及 R、G、B 三各Sub Frame的相對關係。此時所量測到的紅光LED 在背光板上發光的Sub Frame rate = 179.8HZ。圖4.4 則表示當把水平掃瞄刻度精密到 SEC/DIV=1.0ms時，所量 測到的Sub Frame rate則更精確到179.9Hz，這表示所設計的背光控制系統可以將掃瞄頻 率控制到LED實際顯示所需的掃瞄頻率。
圖4.3 紅光SubFrame rate=179.8 Hz 圖4.4 紅光SubFrame rate=179.9 Hz (5.56ms) 精確值
Frame Interval
接下來再量測R、G、B各LED的循序掃描發光持續時間是否符合第三章所規範的掃 描式FSC時序。量測結果證實R、G、B三色光各別的掃描時間完全符合規範的2.52ms，
接下來再量測R、G、B各LED的循序掃描發光持續時間是否符合第三章所規範的掃 描式FSC時序。量測結果證實R、G、B三色光各別的掃描時間完全符合規範的2.52ms，