Việc ứng dụng điều chế độ rộng xung (PWM) đã cho phép điều khiển độ sáng kỹ thuật số với độ chính xác cao, cải thiện đáng kể độ chuyển sắc và độ đồng nhất màu sắc. Tuy nhiên, PWM vốn dĩ bị hạn chế bởi độ phân giải thời gian: tần số xung nhịp và độ rộng xung tối thiểu có thể đạt được giới hạn khả năng cải thiện hơn nữa trong việc điều khiển độ xám thấp và tốc độ làm mới cảm nhận được. Những hạn chế này đã trở thành một nút thắt quan trọng trong việc nâng cao hơn nữa chất lượng hiển thị.

Khi màn hình LED tiến tới dải động cao (HDR), tỷ lệ tương phản cao và độ chính xác màu cao, công nghệ điều khiển chỉ sử dụng PWM không còn có thể đồng thời tối ưu hóa độ sáng cao và hiệu suất thang độ xám thấp. Do đó, ngành công nghiệp đang dần áp dụng công nghệ điều khiển lai PWM–PAM (điều chế biên độ xung). Bằng cách điều chỉnh đồng thời độ rộng xung và biên độ dòng điện điều khiển, công nghệ này cho phép cải thiện một cách có hệ thống độ sáng cực đại, mức độ thang độ xám và dải động, thể hiện một hướng đi công nghệ tất yếu cho các bộ điều khiển màn hình LED thế hệ tiếp theo.

Các IC điều khiển chung

Màn hình LED đời đầu chủ yếu được sử dụng để hiển thị văn bản tĩnh và đồ họa đơn giản. Trong giai đoạn này, các IC điều khiển đa năng—còn được gọi là IC điều khiển BẬT/TẮT—đã xuất hiện. Các thiết bị này thường tích hợp điều khiển nguồn dòng cơ bản và logic chuyển mạch đơn giản, với chức năng cốt lõi là tái tạo hình ảnh thông qua việc kích hoạt hoặc vô hiệu hóa trực tiếp các đèn LED.

Công nghệ kỹ thuật ở giai đoạn này được đặc trưng bởi hệ thống điều khiển màn hình tính toán trước các mức độ xám cần thiết và tạo ra các tín hiệu PWM tương ứng. IC điều khiển chủ yếu hoạt động như một bộ khuếch đại tín hiệu, trực tiếp điều khiển việc chuyển mạch LED theo các tín hiệu PWM nhận được để cung cấp khả năng điều chỉnh độ sáng cơ bản.

Phương pháp công nghệ điều khiển tổng quát này cung cấp kiến ​​trúc mạch đơn giản, chi phí triển khai thấp và dễ dàng sử dụng trong các ứng dụng màn hình định dạng nhỏ, độ phân giải thấp. Tuy nhiên, các mạch điều khiển IC đa năng bị giới hạn ở hoạt động nhị phân: một điểm ảnh LED chỉ có thể ở trạng thái “bật” hoặc “tắt”, không có khả năng điều khiển thang độ xám. Kiến trúc điều khiển thụ động này bị hạn chế bởi khả năng tính toán của hệ thống điều khiển, dẫn đến độ chuyển màu xám kém, hiệu suất thang độ xám thấp không đủ và tốc độ làm mới tương đối thấp có thể gây ra hiện tượng nhấp nháy có thể nhìn thấy. Độ phân giải thang độ xám thường bị giới hạn ở mức không quá 256 mức, trong khi tốc độ làm mới thường dưới 60 Hz, khiến công nghệ này không phù hợp cho hiển thị video động.

Mặc dù có những hạn chế này, việc điều khiển IC đa năng vẫn đại diện cho hình thức công nghệ điều khiển màn hình LED sớm nhất. Nó cung cấp kinh nghiệm thực tiễn thiết yếu cho những tiến bộ tiếp theo trong điều khiển thang độ xám và các kiến ​​trúc trình điều khiển phức tạp hơn, đồng thời thúc đẩy sự phát triển hơn nữa của logic điều khiển và thiết kế mạch điểm ảnh. 

IC điều khiển chốt kép (Công nghệ thế hệ thứ hai)

Khi yêu cầu về độ chính xác hiển thị và hiệu suất thang độ xám tăng lên, màn hình LED dần dần áp dụng công nghệ trình điều khiển chốt kép. Trình điều khiển chốt kép sử dụng hai chốt mắc nối tiếp để lưu trữ dữ liệu điểm ảnh cho mỗi hàng hoặc cột, duy trì trạng thái điểm ảnh ổn định trong suốt chu kỳ làm mới và cho phép hiển thị thang độ xám sơ bộ. Các chốt cho phép kiểm soát chính xác thời gian bật của LED, cho phép các điểm ảnh chuyển đổi giữa các mức độ xám khác nhau, từ đó cải thiện độ đồng đều độ sáng và hiệu suất thang độ xám thấp.

Ưu điểm chính của cơ chế điều khiển hai chốt là khả năng hỗ trợ hiển thị thang độ xám đa cấp và chuyển đổi mượt mà hơn, mang lại trải nghiệm hình ảnh được cải thiện đáng kể so với các IC điều khiển đa năng. Nó cũng tạo nền tảng cho việc trình chiếu mượt mà các nội dung video có chuyển động cao. Tuy nhiên, khi số lượng dòng quét tăng lên, độ phức tạp của hệ thống và mức tiêu thụ điện năng cũng tăng lên đáng kể. Ngoài ra, khả năng hiển thị thang độ xám vẫn bị hạn chế bởi số lượng chốt và khả năng điều khiển thời gian, dẫn đến những hạn chế về hiệu suất hiển thị thang độ xám thấp và độ chính xác hiển thị thang độ xám cao.

IC điều khiển PWM (Công nghệ thế hệ thứ ba)

Khi màn hình LED tiến tới độ phân giải cao và các ứng dụng hướng đến video, công nghệ điều khiển chốt kép đơn thuần không còn đáp ứng được yêu cầu về chi tiết hình ảnh sắc nét và độ trung thực thang độ xám. Do đó, màn hình LED đã bước vào giai đoạn sử dụng bộ điều khiển PWM (Điều chế độ rộng xung).

Nguyên lý cơ bản của công nghệ điều khiển PWM là điều chỉnh độ sáng và thang độ xám bằng cách thay đổi tỷ lệ thời gian bật của đèn LED trong mỗi chu kỳ khung hình. Mô hình toán học của nó là:

 (1)

Trong đó , thời gian bật của đèn LED là bao nhiêu và chu kỳ khung hình là bao nhiêu?    

So với công nghệ chốt kép, điều khiển PWM cải thiện đáng kể độ chính xác điều khiển thang độ xám, độ sâu bit và tốc độ làm mới màn hình. Tuy nhiên, các kiến ​​trúc dựa trên PWM cũng có những hạn chế vốn có: chúng đặt ra các yêu cầu khắt khe về tần số xung nhịp và băng thông làm mới dữ liệu, đồng thời làm tăng độ phức tạp trong thiết kế IC điều khiển và mức tiêu thụ điện năng.

Khi ngành công nghiệp màn hình LED tiếp tục phát triển nhanh chóng và kỳ vọng về hiệu suất hình ảnh ngày càng cao, những hạn chế của việc điều khiển PWM ngày càng trở thành một nút thắt quan trọng, hạn chế tiềm năng hiệu suất tối đa của màn hình LED.

Công nghệ lái xe lai PWM+PAM

Sự đổi mới cơ bản của công nghệ điều khiển lai PWM+PAM là việc mở rộng quá trình tạo thang độ xám từ cơ chế chu kỳ nhiệm vụ một chiều, trong miền thời gian, sang biểu diễn hai chiều được xác định bởi thời gian × dòng điện . Thay vì chỉ dựa vào độ rộng xung cực ngắn để đạt được khả năng điều khiển độ sáng tốt hơn, kiến ​​trúc này cùng thiết lập độ sáng thông qua các mức dòng điện có thể lựa chọn động (PAM) và điều chế chu kỳ nhiệm vụ (PWM).

Ở mức độ xám thấp, dòng điện điều khiển thấp và độ rộng xung dài hơn được sử dụng để duy trì tính tuyến tính của độ sáng. Ở mức độ xám trung bình và cao, có thể áp dụng mức dòng điện điều khiển cao hơn để tăng độ sáng cực đại của mỗi pixel. Phương pháp này kết hợp những ưu điểm tương ứng của PAM và PWM, cung cấp một cơ chế tạo độ sáng linh hoạt và hiệu quả hơn.

Công suất đầu ra của hệ thống truyền động lai có thể được biểu diễn như sau:

Trong đó, IPAM biểu thị biên độ dòng điện được chuẩn hóa và DPWM biểu thị chu kỳ nhiệm vụ PWM. Cả hai tham số này cùng nhau xác định đường cong chuyển đổi độ xám-độ sáng hoàn chỉnh.

Bản tóm tắt

Sự phát triển của công nghệ điều khiển màn hình LED—từ điều khiển logic tổng quát ban đầu đến điều chế lai thông minh ngày nay—về cơ bản được thúc đẩy bởi nhu cầu liên tục mở rộng giới hạn hiệu năng vật lý về chất lượng hiển thị.

Nhìn về phía trước, khi HDR, tốc độ làm mới cao, Micro LED và quản lý màu sắc dựa trên AI tiếp tục hội tụ, công nghệ điều khiển PWM–PAM lai sẽ được tích hợp sâu hơn vào các nền tảng điều khiển màn hình, độ tuyến tính độ sáng và hiệu chỉnh màu sắc, cũng như các thuật toán tối ưu hóa hình ảnh cảm nhận. Kiến trúc tích hợp này được kỳ vọng sẽ trở thành công nghệ nền tảng cho các màn hình chất lượng hình ảnh cực cao thế hệ tiếp theo.