CN217640623U - Led面板及lcd显示器 - Google Patents

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Abstract

一种LED面板，包括布置在多个LED行和多个LED通道中的照明单元阵列，每个照明单元是单个LED像素或多个串联的LED像素，其中多个LED行经由多个扫描开关连接到两个或多个驱动器上，并且多个LED通道连接到多个电流接收器或电流源，同时其中两个或多个驱动器以交错方式连接到多个LED行，其中多个LED行中的两个相邻LED行分别连接到两个或多个驱动器中的两个驱动器上。这种LED面板可以用于在LCD显示器中对LCD面板进行背光照明。在驱动LED面板时实现延迟时间可以减少LCD显示器中的视觉伪影。

Description

LED面板及LCD显示器
技术领域
本实用新型提供了一种具有交错拓扑结构的LED面板和使用交错LED 面板为LCD面板提供背光照明的LCD显示器。
背景技术
液晶显示器(LCD)可使用LED面板进行背光照明。LCD的缺点之一是响应时间慢，这与LCD像素在打开后达到稳定电压的时间有关。此外，LCD面板中的LCD像素被顺序开启，使得需要一个完整的帧时间来更新显示器上的所有LCD像素，由此引入了额外的延迟。
4K液晶电视面板(即4KLCD面板)可用作说明传统背光方法和问题以及相关问题的示例。4KLCD面板具有2160行LCD像素，每行具有3840个LCD 像素，因此LCD面板具有3840×2160个LCD像素。由于LCD像素具有小尺寸，由于成本和尺寸限制，使用一个LED像素来背光照明一个LCD像素是不可行的。一种常见的做法是使用一组4个串联的LED(以下称为“LED组”)来背光照明24×24LCD像素(以下称为“24×24LCD组”或“LCD组”)。请注意，LED组可以有多于或少于4个LED，LCD组可以有多于或少于24x24个LCD。
具有2160行LCD像素的4KLCD面板可分为90行不同的LCD组，即 2160/24＝90行LCD。每一行包含160个LCD组(3840/24＝160)，对应一行包含160个LED组。注意，LCD行可以包含90个以上的LCD组，也可以包含 90个以下的LCD组。所述LCD行及其对应的LED行可以具有近似相同的占地面积，并在垂直于所述LCD面板的方向上彼此对齐。
LCD面板上的像素根据视频输入顺序更新。例如：LCD面板上顶部 LCD行首先更新，底部LCD行最后更新。LCD面板上所有像素的更新时间根据帧速率、LCD面板大小、LED组大小、LCD面板上的LCD组大小不同而不同。在120Hz的帧速率下(帧时间为8.333ms)，在整个4KLCD面板上，90个 LCD行上的所有LCD像素更新大约需要92.5μs(8333μs/90行)的帧时间。
此外，每个LCD像素在打开后需要一定的响应时间(Tresponse)才能趋于稳定。响应时间(Tresponse)可以在1ms到7ms的范围内，甚至可以更高。LCD也有保持时间(Thold)，在此期间，LCD上显示的图像是稳定的。仅在其保持时间内使用LED背光是可取的。典型的保持时间(Thold)是1.333毫秒。
大多数LCD面板采用全局背光，其中所有LED组都通电并同时发光。然而，由于LCD行是顺序更新的，当不同的LCD行处于不同的更新阶段时，全局背光会导致视觉伪影，例如运动模糊。另外，由于LED在LCD稳定之前就被点亮，因此会浪费掉一部分LED能量。此外，全局背光还增加了LED背光驱动器的负载，因为所有LED组同时打开，这需要耗费大量的资源。
发光二极管(LED)有其自身的局限性。其中之一是对效率良好的LED 进行驱动的最大电流受到限制，例如仅40mA。另一个限制是PWM脉冲宽度的分辨率。脉冲宽度增量越小，就越难在具有长PCB走线的大型LED阵列上对其进行精确控制。因此，希望每次扫描都有一个更长的PWM脉冲，以便在 LED允许的最大电流下，LED的最大亮度可以更高，并且较长的PWM脉冲也能够实现更宽的脉冲宽度增量步长。
因此，需要一种LED面板，其在驱动电流、PWM脉冲宽度等方面不太严格的条件下运行。此外，还希望提供对应于单个LCD行状态的动态LED背光，以减少或避免视觉伪影，提高效率，并降低成本。
实用新型内容
提供本概述是为了以简化形式介绍一些概念，这些概念将在下文的详细说明中进一步描述。其目的不旨在标识所申请专利主题的关键特征或必要特征，也不旨在用于帮助确定所申请专利主题的范围。
在一个实施例中，LED面板具有排列在多个LED行和多个LED通道中的照明单元阵列，每个照明单元是单个LED像素或多个串联的LED像素。所述多个LED行通过多个扫描开关连接到两个或多个驱动器，所述多个LED通道连接到多个电流接收器或电流源。此外，两个或多个驱动器以交错方式连接到多个LED行，其中多个LED行之间的两个相邻LED行分别连接到两个或多个驱动器中的两个驱动器上。
在另一实施例中，可通过使用两个或更多个驱动器顺序驱动多个LED行来操作LED面板，其中一个LED行一次由一个驱动器驱动，两个相邻LED行分别由两个驱动器驱动，且驱动信号的起始时间不同。
在另一个实施例中，LCD显示器由一个LCD面板和一个为LCD面板提供背光的LED面板。LED面板包括一个或多个LED区域。LCD面板包括一个或多个LCD区域。一个或多个LCD区域中的每一个都配置LED区域为其提供背光照明。每个LED区域包括布置在多个LED行和多个LED通道中的照明单元阵列，每个照明单元是单独的LED像素或多个串联的LED像素。
每个LED区域中的多个LED行通过多个扫描开关连接至两个或更多个驱动器，多个LED通道连接至多个电流接收器或电流源。
在其他实施例中，LCD显示器中的LCD面板可具有“5至100”范围内的屏幕尺寸。它可以有1到7个LED区域。每个LED区域有18到160个LED行。
在另外实施例中，在LED面板的每个LED区域中，可以有2到24个驱动器连接到多个LED行。
使用LED面板为LCD显示器提供背光照明的方法可以包括通过开启 LCD面板中的第一LCD区域中的第一LCD像素来打开LCD显示器的步骤；开启为所述第一LCD区域提供背光的LED面板中的第一LED区域中的第一 LED行；在延迟时间内顺序地驱动第一LED区域中的多个LED行。“开启”意味着为LED行中的LED像素提供一个驱动单，例如PWM脉冲。PWM脉冲的上升沿是“开启”动作的开始时间。延迟时间是两个相邻的、顺序驱动的LED行开始时间之间的时间差。
在某些实施例中，延迟时间等于或大于LCD显示器运行时的帧时间除以 LCD面板中的LCD行的总数。
在进一步的实施例中，当LCD面板具有一个以上的LCD区域，且 LED面板具有一个以上的LED区域时，所有一个以上的LED区域将被顺序驱动，且对所有LED区域，即一个以上的LED区域中的任何两个相邻的顺序驱动的LED行之间，全局实施延迟时间。
在本实用新型的另外一个实施例中，选择用于驱动LCD中的LED面板的PWM脉冲长度(Tpwm)的方法包括以下步骤：确定保持限制脉冲长度(Hold- Limit Tpwm)、帧限制脉冲长度(Frame-Limit Tpwm)和延迟限制脉冲长度 (Delay-Limit Tpwm)；确定Tpwm小于或等于Hold-Limit Tpwm、Frame-Limit Tpwm和Delay-Limit Tpwm中的一个最小值；以及配置实现Tpwm的LED驱动器。
Hold-Limit Tpwm受到LCD面板中LCD像素的保持时间限制，保持时间是指LCD像素保持稳定的时间段。Frame-Limit Tpwm受到LCD显示屏的帧时间的限制。同时Hold-LimitTpwm为LED面板中LED区域的数量所限制。
附图简述
通过结合附图考虑以下详细说明，可轻松理解本实用新型的教导。
图1示出了在LED面板的一部分中的LED组阵列。
图2是图1中LED面板部分的简化电路图。
图3是图1和2中LED面板部分的时序图。
图4示出了LCD区域的电压响应及其与相应背光LED区域的关系。
图5示出了LCD显示面板中5个不同LCD区域的电压响应。
具体实施方式
现在将对本实用新型的实施例进行详细引用，其示例在附图中进行说明。请注意，只要可行，附图中可使用相似或类似的引用编号，并可表示相似或类似的元素。
附图仅出于说明之目的描绘了本实用新型的实施例。本领域技术人员将从以下描述中容易地认识到，在不脱离本实用新型一般原理的情况下，存在替代实施例。
本实用新型的实施例以4KLCD面板及其LED背光面板为例。然而， LED面板的拓扑结构、驱动LED面板的方法以及确定设计变量和确定操作参数的方法不限于LCD显示器或LED背光面板。
在本实用新型中，驱动器核心是指驱动LED的驱动器电路，其可包括扫描开关、一个或多个电流接收器或一个或多个电流源等部件。扫描开关可以是 PMOS或NMOS，电流驱动电路可以是电流接收器或电流源。驱动器核心可以驻留在一个驱动芯片上。或者，一个驱动器芯片可以包含一个或多个驱动器核心。例如，驱动器芯片可以包含一个驱动器核心，使其可以对大功率负载进行处理，例如在大的LED面板中。如果功率负载不高，例如在用于手持设备的小型LED面板中，驱动器芯片可以包含几个驱动器核心。在本实用新型中，“驱动器”和“驱动器核心”可互换使用，除非另有说明。
在其中一个实施例中，当同一LED行中的所有LED组同时开启时，在为LED面板中的任意两个相邻LED行供电之间实施公共延迟时间(Tcomm)。延迟时间是驱动LED行的PWM脉冲的上升沿和驱动相邻LED行的PWM脉冲的上升沿之间的最小时间差。公共延迟时间Tcomm是对LED面板中所有LED行全局实施的延迟时间。Tcomm可以大于或等于更新LCD面板中所有LCD像素所需的时间。在上述以120Hz的帧速率运行的4k LCD面板的示例中，Tcomm被设置为大于或等于92.5μs的值。在本实用新型中，92.5μs是实施例中的默认公共延迟时间Tcomm，应当理解Tcomm可以具有不同的值。
在本实用新型的另一实施例中，LED行在其对应的LCD行稳定后点亮，以说明LCD像素的响应时间(Tresponse)和公共延迟时间(Tcomm)。
根据本实用新型中的一个实施例，单个LED驱动器核心驱动扫描拓扑中的多个LED行。此外，多个LED驱动器核心是交错的。“交错”，“交错式”或“相互交错”意味着由不同驱动器驱动的LED行是交错在一起的，而不是分隔成不同的区块。例如，第一行LED由第一个驱动器驱动，第二行LED由第二个驱动器驱动，第三行LED由第三个驱动器驱动，这样的模式在整个LED面板上重复出现。例如，在一个有9行LED的LED阵列中，第一个驱动器驱动第1、 4、7行，第二个驱动器驱动第2、5、8行，第三个驱动器驱动第3、6、9行，因此该LED阵列有9个交错的LED行，由3个交错的驱动器驱动。注意，第一个驱动器核心、第二个驱动器核心和第三个驱动器核心可以驻留在一个驱动程序芯片上，也可以驻留在三个独立的驱动器芯片上。
图1是LED面板一个部分的示意图，该部分有16个通道，18行 LED组-总共有288个LED组，4个串联的LED像素。这个部分被称为16(通道)×6(扫描)×3(交错)部分，因为LED组在16个通道中链接，通过6个扫描开关连接到三个交错驱动器其中之一，并且具有3个交错LED行的重复模式。用于 4KLCD面板的整个LED面板具有160×90个LED组，因此它可以包含50个图 1所示的部分，例如，排列成10×5的LED部分阵列。
在图1的部分中，6行LED组CX0<0>至CX0<5>由第一驱动器(驱动器 <0>)驱动，6行LED组CX1<0>至CX1<5>由第二驱动器(驱动器<1>)驱动， 6行LED组CX2<0>至CX2<5>由第三驱动器(驱动器<2>)驱动。为了简单起见，图1中没有示出驱动器。
图2对图1所示LED面板部分给出了另一种描述。它显示每个LED组连接到16个电流接收器Isink<0-15>其中之一，并由驱动器核心driver<0-2>其中之一进行驱动。一起观察图1和图2，连接CX0<0>到CX0<5>每一行中的第一LED组的通道被连接到Isink0<0>并由驱动器<0>进行驱动；连接CX0<0> 到CX0<5>每一行中的第二LED组的通道被连接到Isink0<1>并由驱动器<0>进行驱动；并且连接CX0<0>到CX0<5>每一行中的最后一个LED组(即，第16 个LED组)的通道被连接到Isink0<15>并且由驱动器<0>进行驱动。类似地，连接CX1<0>到CX1<5>每一行中的第一LED组的通道被连接到Isink1<0>并由驱动器<1>进行驱动；连接CX1<0>到CX1<5>每一行中的第二LED组的通道被连接到Isink1<1>并由驱动器<1>进行驱动；并且连接CX1<0>到CX1<5>中的最后一个LED组(即，第16个LED组)的通道被连接到Isink1<15>并由驱动器< 1>进行驱动。此外，连接CX2<0>到CX2<5>每一行中的第一LED组的通道被连接到Isink2<0>并由驱动器<2>进行驱动；连接CX2<0>到CX2<5>每一行中的第二LED组的通道被连接到Isink2<1>并由驱动器<2>进行驱动；并且连接 CX2<0>到CX2<5>每一行中的最后一个LED组(即，第16个LED组)的通道被连接到Isink2<15>并由驱动器<2>进行驱动。这样，所有三个驱动器核心<1-3>使用相同的16个电流接收器Isink<0-15>。
与一个驱动器驱动六个相邻行的传统拓扑相比，图1和图2中LED行的交错拓扑可驱动更大的LED阵列。在传统拓扑中，一个驱动器驱动6个相邻行。因为，与在一次扫描的时间内驱动6行块不同，交错拓扑可以在大约相同的时间内驱动18行块区域的LED。
上述交错拓扑存在某些限制。例如，红外压降(IR drop)会阻止驱动器核心在交错拓扑中驱动大面积的液晶显示器(例如，20英寸以上)。因此，诸如 LCD面板的物理尺寸和驱动器核心之间的距离等因素限制了交错驱动器数量的范围。例如，对于手机或笔记本电脑，由于LED驱动器核心排列在小区域中，所以所有驱动器核心可以彼此交错。另一方面，对于液晶显示电视中的LED背光面板，面板一端的驱动器核与面板另一端的驱动器核之间的距离可以相距很远，以便它们控制相同区域的LED。
以4KLCD面板的LED背光面板为例，它包含一个由50个16×6×3部分组成的阵列，如图1和2所示，每个部分有3个交错的驱动器核心。因此，总共有150个驱动器核心分布在LED背光面板上，排列成行和列。只要负面影响可以忽略不计，例如，红外压降(IRdrop)足够小，多个LED驱动器核心可以在LED面板的给定区域交错驱动LED。
在本实用新型中，一个LED组块被称为一个区域，其中若干个驱动器核心以交错的方式驱动LED。大型LCD面板的LED背光面板可以分为多个区域。如图1和2所示，LED面板的部分可以是这样的一个区域。每个区域都有一定的尺寸，例如小于20厘米。该区域可以大于或小于图1和2中的区域。例如，一个区域可以有2个或4个以上的交错驱动器，每个交错驱动器驱动6行LED 组，而不是3个交错驱动器，每个交错驱动器驱动6行LED组。此外，一个区域可以具有更多或更少数量的通道，如图1和2所示。
图3为LED背光区域的示例性时序图。Tpwm是LED组每帧被点亮的时间。待LCD显示稳定后，依次对所有LED行施加相同的Tpwm。两个相邻的 PWM脉冲分别驱动两个相邻的LED行，两个相邻的PWM脉冲上升沿之间的延迟时间为92.5μs。当前扫描的最后一行LED的开始时间与下一扫描的第一行 LED的开始时间之间的延迟时间，本实用新型中称为“扫描延迟”，该延迟时间应大于或等于Tcomm。扫描之间的实际扫描延迟时间取决于Tpwm的值。当Tpwm> n×Tcomm,n为交错的驱动其核心的数量(图1和2中n＝3)，两个LED行之间的扫描延迟时间等于Tpwm-(n-1)×Tcomm。当Tpwm＝n×Tcomm时，扫描延迟时间为Tcomm。
4KLCD面板的整个LED背光面板可以分为5个区域，相邻区域之间的延迟(“区域延迟”)等于每个区域的LED总行数与Tcomm的乘积。4KLCD面板可以类似地分为5个LCD区域，每个LCD区域由一个相应的LED区域进行背光照明。
图4显示了LCD区域的电压响应及其与具有18行LED的相应背光LED 区域的关系。LCD稳定时间图4表示第一LCD组稳定时间周期。图5示出了从第一行的第一个LCD像素到最后一行的最后一个LCD像素的五个区域中的延迟。LCD区域延迟时间是更新同一区域中LCD像素的所有延迟的总和。随后对LED进行计时以补偿该延迟。
如图4所示，交错拓扑使三个连续PWM脉冲之间有显著重叠，从而增加了光输出。它还增强了局部调光控制，因为假设LED组以LED驱动器中允许的相同最大电流和相同最大时钟速度驱动，与标准扫描拓扑相比，PWM增量步长相对较大。换句话说，在具有减少运动模糊的标准扫描拓扑的LED面板中，减少运动模糊更加困难，因为它不能产生足够高的光输出(即不够亮)，并且它的局部调光调节没有足够的位深度。
另一个显著优点是交错扫描拓扑的功率波动较小。当从一种扫描切换到另一种扫描时，标准扫描拓扑会打开和关闭通道，因此电源会出现高频输出电流波动。电流波动会增加电磁干扰(EMI)并缩短电源的寿命。利用交错扫描拓扑结构，多行LED在大多数时间同时开启，因此驱动电流连续从电源汲取，这大大减少了电源经历的高频电流尖峰次数。
表1示出了由相应的LED背光面板背光的不同尺寸的4KLCD面板的参数之间的关系。假设帧速率为120Hz，响应时间为7ms，Thold为1333.33μs。
表1
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在表1中，“区域编号”是LED面板被划分的区域数量，这是一种受红外压降(IRdrop)等因素限制的设计选择。“区域延迟”是一个区域中的总延迟时间，等于1/(区域数量*帧速率)。“总行数”是整个LED面板中LED组的总行数，这是一个设计选择。“扫描次数”是指扫描的数量，即每个驱动器所连接的扫描线的数量。在图1和2的示例中，扫描次数是6，或者S＝6。“每个区域的行数”是指每个区域中LED的行数。N是每个区域中交错LED驱动器的数量减1。“间距”是LED像素的间距大小，这是一个设计选择。“Tcomm”是整个LED面板的公共延迟，等于1/(帧速率×总行数)。
Tpwm最大值越高，LED面板的亮度越高，具有提供更高动态范围的优点。然而，除了材料和人工成本外，Tpwm还受到一些其他限制。
首先，Tpwm加上Tcomm不能长于Thold，因此Tpwm最大值不能超过(Thold- Tcomm)，即表1中的“Hold-Limit Tpwm”。很容易理解，Tcomm必须小于Thold，否则Tpwm变为负值。
其次，Tpwm还受到Tframe>＝S×Tpwm+N ×Tcomm中的帧时间的限制。根据该限制条件计算得出的Tpwm在表1中被指定为“Frame-Limit Tpwm”。
此外，根据等式Thold+Tdelay>＝S×Tpwm+(N+2)×Tcomm，Tpwm可受限于区域延迟(Tdelay)中的延迟长度。如此获得的Tpwm被指定为“延迟限制Tpwm”。
在“Hold-Limit Tpwm”，“Frame-Limit Tpwm”和“Delay-Limit Tpwm”中，“设计 Tpwm”的值是最低的。这是LED驱动器在相应的LED面板配置中赋值最高的Tpwm。LED驱动器可根据其值进行设计。通过对PWM发生器进行合理设计和配置，可以实现LED驱动中常见的延时。
利用该组设计参数和约束条件，表1输出了设计Tpwm-每帧LED点亮的理论最大时间量。可以进行几项观察。首先，较大的LCD面板在其背光LED 面板中需要多个区域，而较小的LCD面板只需要一个区域。转折点在 15.6”LCD面板尺寸和14”LCD面板尺寸之间。请注意，所有区域都采用交错驱动器。
其次，对于较大的LED面板，设计Tpwm受Delay-Limit Tpwm的限制，根据Thold+Tdelay>＝S×Tpwm+(N+2)×Tcomm,Delay-Limit Tpwm是区域延迟(Tdelay)中的延迟长度。对于较小的LED面板，设计Tpwm受Hold-Limit Tpwm限制，等于 Thold-Tcomm。转折点再次出现在LCD面板尺寸为15.6英寸和LCD面板尺寸为 14英寸之间。
表1中的设计Tpwm既不是唯一的解决方案，也不是最佳方案。很大程度上取决于设计参数，如交错数、扫描数和间距大小。表1示出了估计已知多个设计参数的最大Tpwm的示例性方法。
综上所述，与传统LED背光照明方法相比，在LED背光面板的扫描驱动中实施公共延迟具有多项优势。在连续的LED行之间实现公共延迟时间减少了扫描背光中的模糊。它利用慢响应时间和公共延迟来使得LED像素获得更长 Tpwm，使得LED具有更好的对比度。LED面板的交错拓扑结构利用了LCD的慢响应时间和较长的更新延迟，通过在驱动器核心之间共享资源，节省了功耗，提高了输出性能，并降低了材料成本。这又反过来保证了在此期间LED驱动器的数量，并能够有效地为LED进行供电，从而降低总功耗和电流波动。
虽然已经对本实用新型的实施例进行了示出和描述，但本领域技术人员可在不背离本实用新型精神或教导的情况下进行修改。此处所描述的实施例仅仅是示例性的，而不是限制性的。在本实用新型的范围内，可以对方法、***和设备的进行许多变化和修改。
例如，具有交错拓扑的LED面板可用作独立装置，而不是作为液晶显示屏中LCD面板的背光面板。这种LED面板可以根据其所用于的特定应用来进行驱动，并且不一定需要实现公共延迟时间。此外，LED面板的不同区域或行的延迟时间可以有所区别，以便可以更好地服务于特定应用。
因此，保护范围不限于本文所述的实施例。保护范围仅由权利要求所限定。权利要求的范围应包括权利要求主题的所有等同物。

Claims (8)

1.一种LED面板，其特征在于，包括布置在多个LED行和多个LED通道中的照明单元阵列，每个照明单元是单个LED像素或多个串联的LED像素，其中多个LED行经由多个扫描开关连接到两个或多个驱动器上，并且多个LED通道连接到多个电流接收器或电流源，同时其中两个或多个驱动器以交错方式连接到多个LED行，其中多个LED行中的两个相邻LED行分别连接到两个或多个驱动器中的两个驱动器上。
2.根据权利要求1所述的LED面板，其特征在于，所述两个或多个驱动器的数量范围在2至24之间。
3.一种LCD显示器，其特征在于，包括LCD面板和用于为LCD面板提供背光照明的LED面板，其中LED面板包括一个或多个LED区域，LCD面板包括一个或多个LCD区域，每个LED区域都被配置为对一个或多个LCD区域之一提供背光照明，其中每个LCD区域包括LCD像素阵列，其中每个LED区域包括布置在多个LED行和多个LED通道中的照明单元阵列，每个照明单元是单个LED像素或多个串联的LED像素，其中每个LED区域中的多个LED行经由多个扫描开关连接到两个或多个驱动器上，同时多个LED通道连接到多个电流接收器或电流源，并且其中两个或多个驱动器以交错方式连接到多个LED行，其中多个LED行中的两个相邻LED行分别连接到两个或多个驱动器中的两个驱动器上。
4.根据权利要求3所述的LCD显示器，其特征在于，所述LCD面板的屏幕尺寸在5英寸到100英寸的范围内。
5.根据权利要求3所述的LCD显示器，其特征在于，LED区域的数量范围在1至7之间。
6.根据权利要求3所述的LCD显示器，其特征在于，每个LED区域具有18至160个LED行。
7.根据权利要求3所述的LCD显示器，其特征在于，每个LED区域中的多个LED行连接到2至24个驱动器上。
8.根据权利要求3所述的LCD显示器，其特征在于，所述照明单元是一组四个串联的LED像素。
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