一文读懂 PWM控制背光亮度原理

关于PWM控制背光亮度原理的详细介绍

一文读懂PWM调光：为何你的屏幕亮度可随心而变？

你是否曾好奇，手机或电脑屏幕的亮度是如何从最暗无级调整到最亮的？这背后的魔法，主要归功于一项名为PWM（脉冲宽度调制） 的技术。本文将用通俗易懂的方式，为你揭开PWM调光的神秘面纱。

一、核心原理：用“开关”代替“旋钮”

想象一下两种控制灯泡亮度的方法：

1. 模拟调光（旋钮式）：像一个老式的调光台灯，通过旋钮改变输入电压的高低。电压高，灯就亮；电压低，灯就暗。这很直观，但用于LED时有个致命缺点：降低电压会改变LED的发光色温（颜色会偏色），且低电压下工作效率不高。

2. PWM调光（开关式）：PWM采用了另一种更聪明的方法。它不给LED一个持续变弱的电流，而是让LED始终在 **“全开”**和 “全关” 两种状态之间极速切换。

   • 全开（On）：以最大、最稳定的额定电流驱动LED，保证色彩准确。
   • 全关（Off）：完全切断电流，LED不发光。

那么，如何实现从最亮到最暗的变化呢？奥秘就在于改变一个周期内“开”和“关”的时间比例。

二、关键概念：频率与占空比

要理解PWM，必须先了解两个核心概念：

1. 频率（Frequency）：

   • 指的是LED“开和关”这个动作一秒钟重复多少次。单位是赫兹（Hz）。
   • 例如，1000Hz表示一秒钟内“开-关-开-关”循环了1000次。
   • 这个频率必须足够高（通常高于200Hz），高到人眼的“视觉暂留”效应无法分辨出单个的开关周期，从而感觉不到屏幕在闪烁，只看到一种稳定的亮度。

2. 占空比（Duty Cycle）：

   • 指的是一个开关周期内，“开”的时间所占的百分比。
   • 占空比越高，一个周期内亮的时间越长，人眼感知到的平均亮度就越高。
   • 占空比越低，一个周期内灭的时间越长，人眼感知到的平均亮度就越低。

下图直观地展示了占空比与亮度的关系：

三、实际工作示例

• 设置亮度为100%：控制器将占空比设置为100%。即LED一直处于“开”的状态，所以你感觉到最亮。
• 设置亮度为50%：控制器将占空比设置为50%。即在每个极短的周期内，LED亮一半时间，灭一半时间。由于切换太快，你的眼睛感觉不到闪烁，只会“平均”地认为亮度降低了一半。
• 设置亮度为10%：占空比变为10%。即LED只有10%的时间在发光，90%的时间是熄灭的。你的眼睛平均后，就感觉到了非常暗的亮度。

四、PWM调光的优缺点

优点：

1. 色彩精准：由于LED始终在最佳额定电流下工作（“开”的时候），避免了模拟调光可能带来的颜色偏色问题。
2. 调光精确：通过数字信号控制占空比，可以实现非常精细和线性的亮度调节。
3. 效率高：电路中的开关管（MOSFET）在完全导通和完全关闭两种状态下功耗都很低，效率非常高。

缺点：

1. 潜在闪烁问题：如果PWM频率过低（例如低于200Hz），部分敏感人群可能会感知到屏幕闪烁，长时间观看容易导致眼疲劳、头痛。这也是“低频PWM调光”备受诟病的原因。
2. 频闪拍摄问题：用相机拍摄PWM调光的屏幕时，容易出现条纹或闪烁，这就是因为相机的快门速度捕捉到了屏幕的开关周期。

【小知识】：为解决低频PWM的闪烁问题，现代高端设备普遍采用高频PWM调光（频率可达成千上万Hz）或DC调光（类DC调光）。DC调光本质上是模拟调光，它通过直接改变电流大小来调节亮度，从而从根本上杜绝了闪烁，但需要解决低亮度下色彩失真的技术难题。

总结

PWM调光的本质，就是通过极高频率的“开-关”循环，并精密地调整“开”的时间比例，利用人眼的视觉暂留效应来“欺骗”大脑，从而实现对平均亮度的无级控制。

实际应用

下图是液晶屏厂家10.1寸屏幕图纸，可以看出该屏幕已自带PWM背光调节引脚。
型号：LMT101DNLFWD-NND
规格：1280x800, 全视角IPS
接口：LVDS
亮度：850nit
触摸：电容式触摸
特点：工业级，高亮，户外应用，