彩色等离子体显示器自动功率控制方法研究

!""!年第 "#期!总第 !$#期" 彩色交流等离子体显示器!!"#$%$"是&’ 英寸 !()* +,"级以上平板电视的希望-(#*.#自 *))( 年进入 消费市场#目前正迅速发展#但 $%$ 仍存在两个主 要问题$成本和性能-/.% 自动功率控制!!$""技术一 方面可以降低功耗#从而对器件的要求降低#使成 本下降&另一方面可以融合自适应亮度增强和峰值 亮度增强技术 -/!0.#有效提高图像质量&!$" 技术还 可以使 $%$丢掉风扇#达到静音的要求% 因此#!$" 技术对 $%$ 整机性能和成本有重要影响# 是 $%$ 必须实施的一项关键技术% 如何实现 !$" 技术# 使 $%$ 在节约能源的同 时不会给其它性能带来负面影响#是 !$" 研究的重 要内容% 本文以寻址显示分离驱动方法为例研究自 动功率控制的方法% ( 自动功率控制的原理 简单说#自动功率控制就是根据图像信号的强 弱#通过改变子场数和维持脉冲数#或子场数不变# 调节维持脉冲的周期#使 $%$ 的功耗和图像质量满 足要求% 下面根据()1 +,!&*英寸"$%$电路系统的 研发过程#对 !$"的实施方法作简单介绍% 假定 $%$ 整机功耗 !(#固定功耗 !*!固定功耗 是指输入图像灰度级为 ) 时消耗的功率#并非待机 功耗#它在 $%$ 整机功耗中占很大一部分"#$%$ 用 于寻址和维持的功耗为 !("!*#自动功率控制本质上 就是控制维持和寻址功耗不大于 !("!*的过程% 确定了维持和寻址所能消耗的最大功率后#需 要检测维持和寻址消耗的功率#从而选择合适的子 场数和维持脉冲数#提高图像质量% 对某一帧图像# 假定寻址采用的子场数为 "# 检测估算的寻址功耗 为 !2#!3(是一帧图像在 *00 个维持脉冲时消耗的功 率#则维持脉冲总数的增益系数 #为 $#!%("!*"!2"4!3( 当 $ 的值符合设定要求时#可得到维持的脉冲 数$&3#*00$$% 当 $ 小于设定值#说明寻址消耗的功 率较大#即子场数偏多#图像亮度需要增强&如果 $ 大于设定值#则需要增加子场数#降低图像亮度% 自动功率控制下还要使图像亮度的变化适应 人眼的视觉特性#特别当相邻两场图像的亮度变化 强烈时#!$"技术应使这种变化平滑一些% 此外#由 于 $%$ 本身的记忆效应#不宜于在屏的固定位置长 时间点过亮的图像#这都是 !$"技术所要考虑的% * 自动功率控制中的功耗检测 !$" 中的维持和寻址功耗是进行功率控制的 基础% 寻址功耗的大小和图像信号的平均强度没有 直接关系#以()1 +,!&* 英寸"50*$&5) 像素 $%$ 为 例#寻址电压为 10 6#由数据处理和控制电路直接 文章编号$%&&’"()*’!’&&0")(7))&5#)/ 彩色等离子体显示器 自动功率控制方法研究 ! 张小宁! 刘纯亮! 屠震涛! 张 军 "西安交通大学 电子物理与器件研究所! 陕西 西安 1())&8# #摘 要$ 为降低彩色等离子体显示器!$%$"的功耗#提高图像质量#在分析了寻址功耗和图像数据在各子场列方向上的变化 率有关的基础上#根据自动功率控制!!$""的原理提出了自动功率控制的方法#该方法的主要内容包括$图像最小残像工作模 式#图像信号的平均强度和维持脉冲数的关系#图像负载率和亮度及功耗的关系等% 根据以上 !$" 的原理和方法研制的 ()1 +,!&* 英寸"彩色 $%$ 电路在功耗和图像质量方面均达到设计目标% %关键词& 等离子体显示器& 寻址& 维持& 显示负载率& 自动功率控制 %中图分类号& +,51/ %文献标识码& - "#$%& ’( )$#’*+#,- .’/01 2’(#1’3 ,( 2’3’1 .3+4*+ 5,463+& .+(03 9:!;< =>2?7@>@AB CDE "FG@7H>2@AB IE 9FJ@7K2?B 9:!;< LG@ "’"()*)+), -. %/0(*123 4356)7-"*6( 8"9 :5;*65(< =*!2" >*2-)-"? @"*;57(*)0< =*!2" ABCCDE< F/*"8$ %!"#$%&’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’ 2NNMJ33’ 3G3K2>@’ N>3OH2S H?2N M2KJ’ 2GK?,2K>+ O?PJM +?@KM?H!!$"" (论文( Z 教育部重大技术项目!789:" 信息终端 !" 万方数据 !"#$% $&’"&(()"&’&*+!" ,--# !./0 &*+,$" " 提供给 !"! 测试图像信号!寻址电流最大为 #$% &" 实验测得全屏白#红#绿#蓝场以及全屏隔列亮的 白#红#绿#蓝寻址电流均为 ’(!% )&!这与人们通常 认为全白场的寻址功耗最大并不相符" 寻址功耗的 大小主要和同一子场列方向上相邻像素的变化率 有关!寻址总功耗为各子场寻址功耗之和!如何检 测列方向上的这种变化率是准确预测寻址功耗的 关键" # 是在 #*+ ,)$’% 英寸%彩色 !"! 整机上显 示 %-- 灰度级白色时!不同显示面积的寻址电流测 试结果$输入信号为计算机 ./& 信号%!不同显示 面积的寻址电流应该相等!但测量结果不完全是这 样" 可见!随着显示面积增加寻址电流缓慢增加!大 于 -*"显示面积时寻址电流基本不变!且全白场的 寻址电流为 01 )&! 和前述全白场的寻址电流 ’* )& 相比有较大差异!主要原因&#% 为保证图像质 量!!"! 的伽马校正# 白平衡和色温应满足一定要 求!因此三基色的增益和 &2" 采集时设置的参数有 所不同’%% 显示面积增加时!列方向上寻址数据会 有变化’1% 信号源提供的输入信号存在偏差" 输入 灰度为 ! 的白色对应的三基色灰度也为 !! 但经过 一些图像处理后三基色的灰度及相应列方向上的 寻址数据会发生变化" 表 #至少可以说明不能由图 像信号的平均强度判断寻址功耗的大小" 表 % 是全屏显示不同灰度级白色时的寻址电 流测试结果!其它条件和表 # 同" 全屏不同灰度的 白色对应的寻址电流应该相等! 但结果并非如此! 并且!随着灰度级的增加!寻址电流波动较大!并不 和图像信号平均强度成递增关系!最大寻址电流仍 比 #$% &小很多" 主要原因除上段所述外!由于子场 编码的原因!高灰度级图像的子场数不一定比低灰 度级的多!高灰度级在列方向上的寻址数据变化率 可能小于低灰度级的!如灰度为 %** 的寻址电流低 于灰度为 #3*!#0* 的寻址电流" 表 # 中 #%2%- 显示 面积和表 % 中 #%* 灰度级对应的图像平均强度接 近!但寻址电流却差很多!这进一步说明图像信号 平均强度不能正确反映寻址功耗的大小" 图 # 是全屏隔行显示白线时显示面积和寻址 电流的关系" 从图中可以清楚地看到!随着显示面 积的增加寻址电流线性增加! 最大寻址电流为 # ##-)&" 图 #说明图像信号在各子场列方向上的变 化率是寻址功耗改变的主要原因!因此!只需检测 这种变化率就可较准确预测寻址功耗了" 在维持脉冲数不变的情况下!维持功耗的大小 主要和图像信号的平均强度有关!因此维持功耗的 预测相对容易理解!主要是检测输入图像信号的平 均强度!和驱动中采用多少子场数无直接关系" 以 0 456 的 7!/!8 为例! 对任一基色来说! 根据每 456 检测数据乘以该位权重因子!然后求和就得到某一 帧图像 %-- 个维持脉冲消耗的功率!作为该帧图像 维持功耗的基本单位 "9#"每帧图像维持功耗的基本 单位可能不同!根据统计的 "9#!求出增益系数 #!得 到适合于该帧图像的子场数和维持脉冲数" 1 自动功率控制的主要功能 由于 &:;!"! 显示屏固有的特性和荧光粉的 原因!在屏的同一位置长时间点亮固定图案会使发 光区和非发光区在显示其它图像时产生明显差异! 从而灼伤显示屏" 为了减少这种现象的发生!&!: 首先应设定图像的最小残像工作模式!工作曲线如 图 % 所示! 一般在 - )5< 时亮度约下降到初始的 3*"!下降得较慢!-##* )5< 时下降较快!约为初始 亮度的 %*"#’*"之间"如果相邻两帧的图像平均强 度差异较大!不论是由弱变强还是由强变弱!显示 的亮度要平缓过渡! 过渡的曲线形状应与图 % 接 近!否则会引起视觉上的不适" 自动功率控制的外在表现就是图像的平均强 度和维持脉冲数$显示亮度%的关系!如图 1 所示! 表 # %-- 灰度白色不同显示面积!时的寻址电流 显示 面积 寻址电流 2)& 显示 面积 寻址电流 2)& 显示 面积 寻址电流 2)& * 1= 32%- +1 #02%- 0# #2%- ’* #*2%- ++ #32%- 0’ %2%- ’’ ##2%- 0# %*2%- 0+ 12%- ’0 #%2%- 0’ %#2%- 0= ’2%- -1 #12%- 0- %%2%- 0= -2%- -+ #’2%- 0’ %12%- 0- =2%- =# #-2%- 01 %’2%- 0’ +2%- =- #=2%- 0% %-2%- 01 02%- =3 #+2%- 0% ( ( !注&全屏显示面积设为 # 表 % 全屏显示不同灰度级时的寻址电流 灰度 级 寻址电流 2)& 灰度 级 寻址电流 2)& 灰度 级 寻址电流 2)& * 1+ 3* 1#1 #0* ’’= #* += #** %=- #3* -*# %* #*3 ##* %*+ %** 100 1* 03 #%* %1* %#* ’=3 ’* #0# #1* %3’ %%* ’*= -* #0# #’* %-0 %1* 1’- =* #’* #-* %0+ %’* 1=% +* #+3 #=* 1+0 %-* #-3 0* #+* #+* 1=* %-- 0’ 图 # 隔行显示白线时显示面积和寻址电流的关系 寻 址 电 流 2) & #%** 3** =** 1** * * %* ’* =* 0* #** 显示面积2> !"#$%&’(!$" ()%&!"’* !" 万方数据 !""!年第 "#期!总第 !$#期" 根据需要可设置多种工作模式!对应不同的功率控 制曲线和功率控制的起控点!其中模式 ! 把维持脉 冲数设为常量!只有子场数可变!这种情况下主要 对减小动态假轮廓有利!但不一定对图像显示的其 它方面有好处" 通过巧妙处理功率控制曲线之间的 关系!可有效地将功耗限定在要求的范围内!并有 效提高图像质量!这是 "#$的基本内容和要求" 图 % 表示全屏不同灰度级和亮度关系的示意 图" 当全屏显示不同灰度级时!亮度呈上升趋势!其 中从灰度 & 到 !!功率控制尚未启动!因此亮度线性 上升很快!灰度大于 ! 后 "#$ 开始工作!后亮度上 升很慢!并且上升斜率是变化的!这样才能保证整 机功耗小于设定值" 图 !是显示负载率和亮度及功耗的关系#以 ’&( )* #+# 显示 ,!! 灰度级白色为例$! 也是 "#$ 功 能的直观表现% 随着图像负载率&主要指显示面积$ 上升!大约从 ’!!显示面积开始!亮度开始下降!功 耗基本达到最大% 负载率更高时!"#$启动!通过调 节子场数和维持脉冲数!使显示亮度下降!功耗满 足要求% 负载率大于 -.!时!维持脉冲数变化较小! 亮度基本不变!功耗仍限定在额定值以内% % 结论 为准确控制 #+# 功耗!首先要明确功耗同哪些 因素有关!特别是寻址功耗!不仅因为其产生原因 易被忽视!而且寻址功耗在整机功耗中占的比例较 大!易给 "#$ 造成较大的预测误差% 国内市场一些 ’,( )*&!. 英寸 $的 #+#&’/00"(0-$!额定功率是 %!. 1!但在某些情况下达到 !!. 1% 在我们为国内 自主制作的 ’.( )*&%, 英寸$123" 显示屏设计的 全套电路系统中!采用了本文提出的 "#$ 检测原理 和实现方法!经 ( 台样机实验验证!在任何情况下! 功耗均不超过 /!. 1!峰值亮度为 !4. )56*,!对比 度为 4,,!结合其它技术!使图像质量的其它方面也 得到显著提高!达到了设计要求% 自动功率控制不仅可以通过改变子场数和维 持脉冲数来实现&维持周期不变$!还可以保持子场 数不变!根据各子场的负载情况改变维持脉冲的周 期来实现! 这种方法对提高维持放电的裕度有利% 自动功率控制一方面是为了降低 #+# 的功耗!另一 方面也有利于提高显示质量!降低对器件性能的要 求!从而在一定程度上降低 #+# 的成本!提高性价 比!提升 #+#同其它显示器件的竞争力% 参考文献 7’8 9:;< = >? @:A > =? $BCA; =D EAF +GCHC;< =)BA*A IJG 1BCKA $JLJG M:L:;)C;< JI #L:N*: +CNOL:P #:;AL @ALAHCNCJ; 798Q RSSS @G:;N? ,..,? $ST%-U/VW /-,T/-(X 7,8 @:A > =Q $BCA; =Q $BJ Y +Q AK :LX EAF +GCHC;< =)BA*A IJG R*OGJHC;< $JLJG @A*OAG:KZGA JI #L:N*: +CNOL:P #:;AL 798Q RSSS @G:;NX ,&&[Q $ST%(U/VW //!T//-X 7/8 1:;C YX " EJHAL +GCHC;< =)BA*A :;5 #:;AL +ANC<; IJG \A:LC]:KCJ; JI : #C)KZGA ^Z:LCKP S_ZCH:LA;K KJ $\@N 7"8D = @:;:‘:Q R+1#44 7$8D =A;5:CQ 9:O:;W R+1$44Q ((!a((-X 7%8 Y:N:B:G: bQ RNBC‘:F: bQ bJGCK: @Q AK :LX EAF +GCHA =PNKA* IJG #+# FCKB R*OGJHA5 R*:CGJNBC*:Q 9:O:;W (%!a(%-X ! 作者简介# 张小宁!#%$&#"$博士$讲师$主要从事 ’(’ 电路研究工作% 图 , 图像最小残像工作模式 图 % 全屏不同灰度级和亮度的关系 亮 度 & ! ,!! 全屏灰度值 图 ! 显示负载和亮度!功率的关系 图 / 图像平均强度和维持脉冲数的关系 责任编辑# 哈宏疆 收稿日期# !"")#"%#*! 信息终端 !" 万方数据