Introduzione a PWM (Pulse Width Modulation) per retroilluminazione a LED

Definizione di PWM

La modulazione della larghezza dell'impulso è un modo popolare di dimmare la retroilluminazione a LED; si tratta di accendere/spegnere il LED ad una velocità specifica che l'occhio percepisce come il LED sia ON in modo continuo ma con una luminosità ridotta. Questo metodo sfrutta la persistenza della visione dell’occhio umano per simulare diversi livelli di luminosità regolando quanto tempo la luce rimane accesa durante ogni ciclo, noto come ciclo di lavoro. Il ciclo di lavoro è definito come un rapporto tra il tempo in cui qualcosa è ON e il tempo in cui è OFF.

Ruolo del PWM nel controllo della retroilluminazione LCD

Ci sono diversi metodi disponibili per guidare la retroilluminazione; Uno dei più popolari è Pulse Width Modulation (PWM). La maggioranza dei Display LCD contenere una retroilluminazione LED (Light Emitting Diode). PWM consente un controllo preciso di questa retroilluminazione, consentendo agli utenti di regolare i livelli di luminosità in modo efficace riducendo al minimo lo spreco energetico. Ciò rende il PWM una tecnica essenziale nei moderni LCD dove sia le prestazioni che l'efficienza sono critiche.

Vantaggi dell'utilizzo di PWM per il controllo della retroilluminazione

Efficienza energetica

PWM fornisce significativi vantaggi di risparmio energetico. Utilizzando uno schema di modulazione della larghezza di impulso, si realizzano diversi vantaggi rispetto a un semplice metodo di tensione a corrente continua. Il principale vantaggio è nell’efficienza. Ad esempio, se un LED è azionato con cinque volte la sua corrente nominale per 1/5 del tempo, la corrente media è la stessa, ma le perdite di potenza possono essere minimizzate a causa della generazione di calore inferiore e della commutazione ottimizzata.

Controllo della luminosità e dimming

PWM consente un controllo fluido e ampio della luminosità. Questa tecnica può anche essere utilizzata per fornire un livello di luminosità normale al display, ma a una corrente media inferiore per risparmiare energia. La regolazione del rapporto di accensione/spegnimento consente una regolazione fine dell'oscurità senza compromettere l'uniformità sullo schermo. A differenza della dimming analogica, che può causare illuminazione irregolare a bassi livelli, PWM mantiene una luce costante.

Riduzione del consumo energetico

Uno dei principali vantaggi dei dispositivi alimentati a batteria è il minor consumo di energia. La potenza media può essere tagliata di un fattore di almeno il 50% per produrre un dato livello di luminosità percepito. Ciò rende PWM ideale per applicazioni portatili come tablet e monitor industriali portatili dove il risparmio energetico estende il tempo di funzionamento.

Vita estesa del display

PWM aiuta a ridurre lo stress termico sui LED pulsandoli invece di eseguirli continuamente ad alte correnti. Questo funzionamento intermittente abbassa le temperature di giunzione e prolunga la vita dei componenti, contribuendo a una lunga durata (almeno 50.000 ore) in display di alta qualità come quelli offerti da Kadi Display.

Considerazioni hardware per PWM

Requisiti del driver LED

Di solito è necessario un driver per i LED di tipo retroilluminazione a causa del livello corrente. Non può essere azionato direttamente da un'uscita digitale come un microcontrollore. In molti casi, i FET a livello logico vengono utilizzati come driver con resistenze gate adeguate. Per correnti più elevate e efficienza migliore, un driver LED di tipo commutazione può essere utilizzato per guidare la retroluce LED per correnti più elevate e efficienza superiore.

Stabilità dell'alimentazione

La progettazione dell'alimentatore deve garantire una ondulazione minima e spazio di testa sufficiente durante gli eventi di commutazione. La stabilità diventa ancora più importante quando si utilizzano display ad alta luminosità come il display HDMI industriale da 10,1 pollici 1280 * 720 di Kadi Display con 1500 nits, che richiedono una regolazione coerente della tensione e della corrente in condizioni di carico variabili.

Migliori pratiche di progettazione dei circuiti

Gli ingegneri dovrebbero seguire buone pratiche di layout dei PCB, tra cui lunghezze di traccia brevi per percorsi ad alta frequenza, adeguati schemi di messa a terra e tecniche di soppressione EMI. PCB 100% con immersione Gold Process per garantire una forte resistenza all'usura, eccellente conduttività elettrica e affidabilità di saldatura, garantendo che anche sotto commutazione frequente, l'integrità del segnale rimanga intatta.

Considerazioni Firmware e Software

Selezione della frequenza PWM

In genere il LED viene accenso/spento tra 60 e 240 volte al secondo (Hz). Qualsiasi più lento di 50 Hz e l'occhio percepisce il lampeggio. Tuttavia, le frequenze superiori a 1000 Hz possono introdurre problemi EMI o ridurre l'efficienza del driver a causa di perdite di commutazione.

Regolazione del ciclo di lavoro

La modifica dei cicli di lavoro consente il controllo dinamico della luminosità in base alle condizioni di luce ambiente o alle preferenze dell'utente. Per implementare questa tecnica, la corrente di picco dovrebbe essere impostata alla corrente tipica specificata per il display e il rapporto di accensione / spegnimento degli impulsi variato da vicino al 100% su a vicino allo 0% su.

Evitare problemi di flicker

Il flickering può essere mitigato selezionando le frequenze appropriate (>100 Hz) e garantendo meccanismi di timing stabili nel firmware. Lo svantaggio [del PWM basato su software] è che questo impiega più tempo di elaborazione (overhead della CPU); Anche se, in pratica, è minimo. La maggior parte dei sistemi preferisce i timer hardware che scaricano l'elaborazione dalle CPU mantenendo la precisione.

Applicazioni di retroilluminazioni guidate da PWM

Elettronica di consumo

Smartphone, tablet, laptop e televisioni beneficiano tutti di LCD controllati da PWM a causa della loro necessità di luminosità regolabile in varie condizioni di illuminazione senza sacrificare la durata della batteria o la qualità visiva.

Display industriali

In ambienti industriali in cui i display devono funzionare in modo affidabile per lunghi periodi in condizioni difficili, PWM garantisce durabilità e prestazioni. Display Kadi fornisce soluzioni robuste come i moduli di progettazione industriali con pannelli ad alta luminosità con ampi intervalli di temperatura da -20 ° C a 70 ° C.

Dispositivi automobilistici e medici

Nei veicoli o nelle apparecchiature mediche dove la leggibilità e l'affidabilità dello schermo sono fondamentali, PWM offre un controllo stabile della luminanza soddisfando rigorosi standard EMI come EN55032 / EN55035. L'alta protezione ESD (aria ±8KV / contatto ±4KV) migliora ulteriormente la resistenza del sistema in applicazioni sensibili.

Domande frequenti

D: Quale frequenza dovrei usare per il mio segnale PWM?
La ripetizione della frequenza di impulso dovrebbe essere superiore a 100Hz ma non superiore a 1.000Hz per evitare il lampeggio visibile riducendo al minimo l'EMI.

D: Posso guidare i LED direttamente dal mio microcontrollore?
Non può essere azionato direttamente da un'uscita digitale come un microcontrollore. Utilizzare invece un circuito driver appropriato.

D: Come si confronta PWM con l'attenuazione analogica?
PWM mantiene una distribuzione uniforme della luce anche a bassi livelli di luminosità a differenza della dimming analogica che può causare illuminazione ineguale a causa di basse correnti di guida.

D: C'è rischio di flicker con PWM?
Sì, se la frequenza cade al di sotto di ~ 60 Hz o se i meccanismi di temporizzazione sono instabili, ma questo può essere affrontato attraverso la corretta configurazione hardware.

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