基于FPGA的LED电视动态背光系统设计[1]

　　LED TV 意即采用LED 背光技术的液晶电视。当前，以LED 为背光源的液晶电视具有轻薄、节能、环保一系列优点，成为电视和显示器市场的主流产品。通过调节LED 背光源电源电压或工作电流的大小， 可以方便地改变LED 的发光强度，这就使得以降低功耗为目的的液晶电视LED 背光动态调节技术获得迅速的应用，而LED 纳秒量级的响应速度，为LED 背光的动态调节提供了保证。

　　LED 背光模组区分底背光和侧背光两种方式。底背光又叫直下式，是指LED 灯安装在液晶背面，均匀分布在面板的后方。底背光方式散热好、整体亮度均匀、画面细节逼真、动态背光效果好，目前主要应用于大尺寸和高端液晶电视市场。侧背光又叫侧入式背光， 是指LED 灯安装在液晶面板上下两侧或者四周，利用导光板传递光线实现屏幕背光，这种背光方式结构简单，容易实现薄形化设计，成本也较低，目前主要用于中低端液晶电视机产品。

　　本文设计一款基于FPGA( 现场可编程门阵列) 的液晶电视动态背光系统，采用LED 侧背光方式，符合当前液晶电视LED背光应用主流。

　　2 电视动态背光

　　以往的电视机主板将图像信号通过LVDS ( Low VoltageDifferential Signal，低压差分信号传输) 将图像信号传送至液晶面板，另外通过LED 驱动控制背光，显示系统和背光系统相对独立。图像信号通过LVDS 传送的时候，有两种格式，一种是JEIDA 的标准，如图一所示;一种是VESA 的标准，如图二所示。液晶面板的LVDS 信号一般有四至五对， 一对是时钟信号，三至四对为数据信号，数据信号和时钟信号速度为7:1。

　　液晶电视动态背光调节区分LED 背光组件的整屏亮度PWM( 脉宽调制) 控制、LED 背光组件的横向分区域亮度PWM控制、LED 背光组件的纵向分区域亮度PWM 控制、RGB 分区域亮度控制和综合控制。要使液晶电视能达到分区域背光亮度PWM 控制，相应地必须对动态的图像信号进行分析，通过插入的FPGA 板计算出各个区域的图像亮度信息，然后根据区域统计的平均亮度信号，驱动LED 控制芯片分别调节相应背光区域的背光亮度。FPGA 板同时将图像信号传送至液晶面板,以达到背光与图像的同步，即实现了液晶电视动态背光调节功能。LED 控制芯片必须具有多路输出且各路输出能独立调节的功能， 这样芯片就能根据屏幕各区域图像画面的亮度信息，同时调节对应区域的背光亮度，在屏幕显示暗场景时，调低背光的亮度，进而减少能耗。背光调节效果例子如图三所示。

　　3 系统设计

　　本文设计的32 寸液晶电视，选用LED 侧背光方式，在电视面板上下各安装2 个灯条，每个灯条4 串LED，每串LED 为10个LED 灯，共用160 个LED 灯。4 个灯条总共16 串，分别对应着16 个调光区域。

　　FPGA 器件选用赛灵思公司( Xilinx，Inc.) Spartan6 系列中的XC6SLX16 器件。Spartan-6 FPGA 为赛灵思公司新推出有批量应用、最低成本的FPGA 器件，采用45nm 低功耗铜工艺，在成本， 性能和功耗上能达到最好的平衡。内建系统级模块包括DSP 逻辑片、高速收发器以及PCI Express 接口内核，能够提供更高程度的系统级集成;先进功率管理技术以及可选的1.0v低功耗内核使得Spartan-6 FPGA 功耗更低; 支持超过12Gbps的存储器访问带宽; 高性能集成存储器控制器支持DDR、DDR2、DDR3 和移动DDR 存储器， 硬内核的多端口总线结构能够提供可预测的时序和高达DDR2/DDR3 800 (400MHz) 的性能。

　　LED 驱动芯片选用奥地利微电子公司( Austriamicrosystems)的AS3693B 控制芯片。芯片拥有控制外部FET 的概念设计，具有主动调节LED 供电电源的专利节电技术，可最大限度地降低系统功耗。芯片具有I2C (Inter-Integrated Circuit)和SPI(Serial Peripheral Interface)接口和16 个独立PWM 调节的通道，每个通道的电流精度高达为0.5%， 可使LCD 背光实现最精准的颜色及亮度控制;外接时钟和同步输入允许LCD 背景光和电视图像同步，能实现“ 分块调光控制”，达到尽可能高的对比度。

　　FPGA 板需要用到1.2V、1.8V、3.3V 供电电压，AS3693B 芯片需要用到3.3V 电压，必须使用BUCK(降压变换器)将12V 电压转换至所需电压。LED 背光系统硬件设计如图四所示：