스마트 디밍 기술을 이용한 새로운 HDR TV의 시각적 효과 및 전력 소모 최적화

  • 2016년 12월호
  • 김영학 기자, yhk@elec4.co.kr
  • 글| 데이비드 감펠(David Gamperl), ams


해상도는 경쟁을 벌이는 TV와 디스플레이 제조업체들이 승부를 거는 최대 격전장이다. 소비자들은 HD(고화질) 디스플레이와 최근에는 4k 디스플레이를 제공하는 프리미엄 제품에 기꺼이 지갑을 열고 있다. 궁극적으로 초고해상도 8k 디스플레이가 현재의 하이엔드 TV를 대체할 것으로 예상되고 있다.


HDR(High Dynamic Range) 디스플레이가 선보이면서 소비자들은 해상도 뿐 아니라 명암대비 역시 시각적 경험에 강력한 영향을 미친다는 것을 경험하고 있다(그림 1). HDR 디스플레이는 가장 밝은 색상에서부터 가장 어두운 검정까지 훨씬 큰 명암대비를 제공함으로써 보다 풍부하고 실감나는 생생한 시청 경험을 제공한다.

 

그러나 새로운 HDR 디스플레이를 개발하기 위해서는 디스플레이 제조업체들이 전력 시스템 설계 문제를 해결해야 한다. 높은 명암대비를 구현하려면 높은 수준의 고휘도 백라이트가 필요하며, 영상의 극도로 밝은 부분을 충실하게 재현할 수 있어야 한다. 이와 동시에 영상의 어두운 부분을 정확히 렌더링하기 위해 높은 고전류 디스플레이 회로를 지극히 낮은 수준으로 디밍 다운해야 한다.

뿐만 아니라 TV 제조업체는 새로운 TV의 평균 전력 소모를 엄격히 제한하는 미국 에너지부의 에너지 스타(ENERGY STAR?) 프로그램 같은 엄격한 규정과 가이드라인을 준수해야 한다.

기존 PWM 백라이트 디밍 방법은 단독으로 사용할 경우 가장 높은 전류 수준과 가장 낮은 수준 사이가 1:1,000비를 넘을 수 없다. 고성능 HDR 디스플레이에서 구현할 때 디지털 PWM 디밍 기능이 있는 전원 컨트롤러 IC에만 의존하면 전력 낭비와 화질 손상이 발생한다. 이러한 이유로 최고 휘도 수준과 최소 휘도 수준 사이를 보다 넓히고 디스플레이 스크린에서 백라이트의 다중 세그먼트에 대한 독립적인 로컬 제어를 제공할 수 있도록 TV 백라이트 전력 제어에 대한 새로운 접근 방법이 요구된다.

HDR 디스플레이의 새로운 최고 휘도 요건 

돌비(Dolby)는 돌비 비전(Dolby Vision™) 기술을 통해 TV 업계에 최초로 HDR TV가 구현할 수 있는 초고화질 영상을 시연해 보였다. 돌비의 2015 데모 유닛에서는 4,000 nit의 최고 디스플레이 휘도를 선보였다. 비교한다면 현재의 HD 또는 4K TV는 약 300 nit의 최고 휘도를 갖는 것이 보통이다. 이와 같이 최고 휘도를 획기적으로 증가시킬 경우 TV는 매우 밝은 영상을 충실하게 재연할 수 있을 뿐 아니라 밝고 어둡게 표시되는 영상 간의 명암대비를 확대시킬 수 있다.

매우 큰 명암비는 HDR 디스플레이를 생생한 화면으로 만들어주는 요소이자 전력 시스템 설계를 매우 어렵게 만드는 요소다. 진한 청색, 검정, 회색을 올바르게 재현하려면 백라이트를 매우 낮은 수준까지 디밍 다운해야하기 때문이다. 만약 최고 휘도가 4,000 nit라면 기존의 PWM 컨트롤러는 아무리 잘해도 0.1% 밖에는 디밍할 수 없다. 그러면 최소 디스플레이 휘도가 충분히 낮지 못하기 때문에 짙은 검정이 모두 똑같은 회색빛이 도는 검정으로 렌더링되어 버린다.

따라서 실제로 현재 H D R 디스플레이 제조업체들은 최고 휘도를 약 800~1,000 nit 정도로 지정하고 있다. 이 수준은 매우 어두운 색을 보다 우수하게 렌더링할 수 있게 하지만, 가장 밝은 색상의 선명함은 떨어지게 돼 HDR 디스플레이의 매력이 약화된다.

디지털 PWM 제어에만 의존할 경우 이러한 문제는 피할 수 없다. PWM-제어 MOSFET은 일정한 최소 온-시간을 가지며, 이것은 턴-오프 지연과 하강 시간 특성에 의해 결정된다. 턴-오프 지연과 하강 시간은 전력 소자에 사용되는 실리콘의 기본 특성이며, 이러한 특성으로 인해 PWM 컨트롤러는 최고 출력의 0.1% 미만으로 디밍할 수 없다.

로컬 디밍을 이용한 디스플레이 명암대비 성능 향상 

디스플레이 백라이트 방식은 명암대비뿐 아니라 디밍 방식에도 영향을 미친다. 오늘날 가정에서 보는 LED 백라이트 TV는 대부분 에지형 LED이고 글로벌 디밍을 구현한다. 이것은 만약 대부분의 영상이 밝을 경우 전체 디스플레이에 적용되는 백라이트가 전체 전력에 가깝게 구동되고, 대부분의 영상이 어두운 경우 전체 디스플레이에 대한 백라이트가 낮은 레벨로 디밍된다는 것을 의미한다. 따라서 글로벌 디밍은 HDR 디스플레이에 적합하지 않다. 〈그림 1〉에서와 같이 특히 밝은 부분과 어두운 부분을 동시에 디스플레이 해야 하는 종류의 영상에는 부적합하다.

따라서 HDR 기술은 로컬 디밍 방식의 직접적인 백라이팅을 요구한다. 이 방식은 더 많은 개별 LED, 더 많은 LED 채널, 더 복잡한 LED 구동 시스템을 필요로 하는 백라이트 아키텍처다. 가격도 더 비싸다. 그러나 디스플레이의 백라이팅 시스템을 세그먼트로 분할함으로써-현재 직접적인 백라이트가 적용된 47인치 TV의 경우 통상 16~256 사이-백라이트 밝기를 각 세그먼트가 적용되는 작은 사각형의 디스플레이 영역에 표시되는 영상의 콘텐츠와 정확하게 일치시킬수 있다. 따라서 영상의 어두운 부분의 백라이팅에 전력을 불필요하게 소비하지 않으면서 어두운 청색과 밝은 백색을 동시에 디스플레이할 수 있다.

이 로컬 디밍 방식은 LED 드라이버를 비디오나 그래픽 프로세서(GPU)와 동기화해야 한다. 디바이스 간 인터페이스가 가능한 경우 GPU에서 직접 백라이트 드라이버를 제어할 수 있다.

 

로컬 디밍은 ams의 AS3824 LED 백라이트 컨트롤러를 사용해 구현할 수 있는 기능이다. 〈그림 2〉는 수직 동기화 신호(VSYNC-ams LED 컨트롤러의 특허를 획득한 기능)를 이용해 어떻게 각각의 새로운 프레임의 시작을 표시해 백라이트 컨트롤러에 동기화 입력을 제공하는지 보여준다.

다이어그램은 프레임 1에서 밝은 영상이 세그먼트 1에서 매우 높은 PWM 듀티 사이클을 요구하는 데 반해, 세그먼트 n은 영상의 더 어두운 부분을 렌더링하므로 감소된 PWM 듀티 사이클을 갖는 것을 보여준다. 다음으로, 프레임 2에서 새로운 비디오 콘텐츠는 세그먼트의 밝기를 변경해야 한다는 것을 의미한다. 세그먼트 1과 세그먼트 n에서 새로운 PWM 듀티 사이클에 대한 지침은 프레임 1 동안 GPU에 의해 전송되며, 세그먼트의 신호는 프레임 2의 상승 에지와 함께 리프레시된다.

〈그림 2〉는 VSYNC의 상승/하강 에지와 PWM 신호의 상승 에지 간 지연을 보여준다. AS3824 컨트롤러에서 이러한 지연은 프로그래밍 가능하기 때문에 디스플레이 제조업체는 LCD 픽셀의 턴-온 지연을 보상해 LED가 픽셀이 턴-온되는 것과 동시에 정확히 전류 소모를 시작하도록 할 수 있다. 이것은 화질을 향상시키고 전력 소모를 최소화한다. 또한 PWM 턴-온 지연은 LED 전원에 대한 부하를 감소시켜 시스템에서 발생하는 잡음과 간섭을 줄일 수 있다.

아날로그 디밍:최고 휘도를 증가시키는 방법 

16개 채널에 대한 개별적인 제어를 제공하는 AS3824와 같은 다중 채널 LED컨트롤러는 디스플레이의 세그먼트에 대한 독립적인 로컬 디밍을 제공한다.

최대 32개 AS3824 IC를 SPI 인터페이스를 통해 데이지 체인 방식으로 연결해 16개 이상의 세그먼트를 갖는 디스플레이를 제어할 수 있다(그림 3 참조).

 

그러나 HDR 디스플레이 제조업체는 여전히 명암비의 문제를 안고 있다. 어떻게 하면 매우 어두운 색을 충실하게 렌더링하면서 최고 휘도를 1,000 nit 이상으로 높일 수 있을까?

해결책은 AS3824 컨트롤러 IC에 구현된 특허를 획득한 혁신에 있다. 아날로그 방법으로 PWM에 의해 제어되는 전류를 증가시키는 것이다. 이 방법은 PWM 신호에 의해 제어되는 전류를 기준 레벨에 대해 최대 8배까지 증가시킬 수 있기 때문에 영상의 가장 밝은 세그먼트를 선명하게 표시할 수 있다.

동시에 가장 어두운 채널에는 기준 값의 10%에 불과한 아날로그 LED 전류를 제공하면서 최소 PWM 듀티 사이클로 켤 수 있으므로 전류를 0.1%까지 낮출 수 있다. 달리 말하면, 디밍 방식에서 디지털 PWM 부분의 동적 범위는 그대로 두면서, 추가적인 아날로그 범위가 전체(아날로그+디지털) 동적 범위를 확대한다(그림 4 참조).

 

아날로그 디밍의 추가는 AS3824에 통합된 DAC를 통해 구현된다. DAC는 디스플레이의 비디오프로세서 또는 GPU로부터 디지털 신호 입력에 의해 결정되는 기준 전압 출력을 제공한다.

증폭된 이 기준 전압은 채널의 LED에 전력을 공급하는 FET에 의해 제공되는 전류의 진폭을 제어한다. 실제로 아날로그 전류 제어 애플리케이션은 동시적인 펄스 폭 변조와 펄스 진폭 변조를 기반으로 전력 방식을 생성한다.

AS3824를 사용해 고전류 정격을 갖는 FET나 BJT를 구동할 수 있다. 출력전압을 연결된 LED 스트링의 전압 요구사항과 일치하도록 모든 외부 스위치 모드 전원을 레귤레이트하는 것이 중요하다. AS3824에 의해 제어되는 FET에서 필요한 수준을 초과하는 전압 헤드룸은 전력을 소모시켜 시스템 효율을 떨어뜨린다.

이를 구현하려면 R1을 가로지르는 전류를 피드백(FB) 핀에 싱크하면, AS3824의 DC-DC 피드백 기능을 모든 종류의 DC-DC 컨버터(부스트 또는 벅)뿐 아니라 LLC 컨트롤러와 같은 다른 컨버터 아키텍처와 함께 사용할 수 있다(그림 5 참조). 피드백 기능의 타이밍은 SPI를 통해 완벽하게 프로그래밍할 수 있다.

 

수동 피드백 모드에서 SMPS의 출력 전압은 AS3824에서 직접 조정할 수 있다. 즉 AS3824는 항상 SMPS의 출력 전압을 완벽하게 제어하므로 시스템 전력 손실을 최소화할 수 있게 한다.

정교한 전력 제어로 뛰어난 명암비 구현 

AS3824 디바이스에서 구현하는 LED백라이팅 제어는 직접적인 백라이트 디스플레이 스크린에서 개별적인 다중 채널 제어를 제공하는 것은 물론 아날로그+디지털 디밍을 적용함으로써 디지털방식에만 의존하는 PWM 디밍을 사용하는 일반적인 LED 백라이트 컨트롤러보다 훨씬 넓은 범위를 제공한다.

그 결과, 명암비가 현저히 향상돼 디스플레이의 일부 세그먼트에서 가장 밝은 백색을 재현하면서 동시에 다른 세그먼트에서 어두운 청색과 회색을 렌더링할 수 있어 현재의 HD 및 4k TV와 디스플레이보다 현저히 우수한 시각적 경험을 제공한다.

16채널 AS3824는 AS382x LED 백라이트 컨트롤러 제품군의 최신 제품으로, HDR 디스플레이에 적합하다. 제품군의 다른 디바이스로는 16채널 AS3820, 12채널 AS3821, 8채널 AS3822 및 6채널 AS3823이 있다.

결론 

해상도는 경쟁을 벌이는 TV 와 디스플레이 제조업체들이 승부를 거는 최대 격전장이다. 한편 HDR(High Dynamic Range) 디스플레이가 선보이면서 소비자들은 해상도뿐 아니라 명암대비 역시 시각적 경험에 강력한 영향을 미친다는 것을 경험하고 있다. HDR 디스플레이는 가장 밝은 색상에서부터 가장 어두운 검정까지 훨씬 큰 명암대비를 제공함으로써 보다 풍부하고 실감나는 생생한 시청 경험을 제공한다.

그러나 새로운 HDR 디스플레이를 개발하기 위해서는 디스플레이 제조업체들이 전력 시스템 설계 문제를 해결해야 한다. 높은 명암대비를 구현하려면 높은 수준의 고휘도 백라이트가 필요하며, 영상의 극도로 밝은 부분을 충실하게 재현할 수 있어야 한다. 이와 동시에 영상의 어두운 부분을 정확히 렌더링하기 위해 높은 고전류 디스플레이 회로를 지극히 낮은 수준으로 디밍 다운해야 한다.

기존 PWM 백라이트 디밍 방법은 단독으로 사용할 경우 가장 높은 전류 수준과 가장 낮은 수준 사이가 1:1,000비를 넘을 수 없다. 고성능 HDR 디스플레이에서 구현할 때 디지털 PWM 디밍 기능이 있는 전원 컨트롤러 IC에만 의존하면 전력 낭비와 화질 손상이 발생한다.

지금까지 기존 PWM 디밍 신호 위에 아날로그 전류 제어를 추가함으로써 디지털 PWM에만 의존하는 제어에 비해 디밍 범위를 크게 향상시킨 ams의 혁신적인 LED 전원 컨트롤러 기술을 살펴보았다. 이 기술은 디스플레이 제조업체가 현재 수준보다 훨씬 높은 명암비를 제공함으로써 시청 경험을 크게 향상시킬 수 있게 한다.

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