LED顯示屏低灰信號起輝條件合理性探討

本文探討的主題”LED顯示屏低灰信號起輝條件”，是一個目前顯示屏行業(yè)標準里沒有規(guī)定，而實際生產工程中又必須直接面對的一個技術問題。一方面，部分led顯示屏廠家追求的高灰度，高刷新頻率，高顯示密度的顯示效果；另一方面又努力強調低成本，采用一些技術參數達不到設計要求的部件。這種做事方式勢必導致一種相反的結果，實際上LED顯示屏的顯示效果與期望的顯示效果背道而馳。

我們一致認為LED顯示屏根據實際的顯示環(huán)境亮度需要規(guī)定一個比較恰當而合理的低灰信號起輝值規(guī)范是非常必要的。這既符合整個LED顯示屏產業(yè)鏈良性協(xié)作整合，也符合絕大多數消費者地實際利益。

自上世紀90年代以來，LED顯示屏逐漸在生產生活中大量使用。伴隨著LED顯示屏的高速發(fā)展，在顯示屏行業(yè)內也涌現出一批優(yōu)秀企業(yè)，例如柏獅、雷曼、利亞德等LED顯示行業(yè)的領軍企業(yè)，在技術研發(fā)，質量管理體系的建設，處在行業(yè)的領先位置。

LED顯示屏的發(fā)展經歷了單色顯示，灰度顯示，全彩顯示的發(fā)展歷程，目前正朝著高一致性、高灰度級、高顯示密度的高清晰顯示方向發(fā)展。人們總是期望事物的完美，LED屏也不例外，在各個方面人們不斷改進技術，提高性能，以使LED屏獲得生動逼真的顯示效果。實際工程中，LED顯示屏的各種參數，如灰度和場頻等，雖然各個公司依照不同的理解而采用的數值有所不同，但事實上無論是單色屏、雙色屏、灰度屏，還是全彩屏，LED顯示屏各種設計參數的選取并不是隨意的，而是有許多限制條件的，在設計中反復的選取參數還是有某些設計原則需要遵守的。LED顯示技術發(fā)展的十幾年中，新器件和新技術不斷采用，制造成本逐漸降低，生產分工不斷細化，但大量應用的同時也暴露出LED顯示技術若干缺陷，總體上來說技術尚未成熟，標準尚未完全建立。LED顯示屏行業(yè)國家標準（SJ/T11281-2007），已經對顯示屏產品的相關技術參數進行合理規(guī)范，但是涉及到顯示屏發(fā)光的二極管LED、電源系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和結構組件等顯示屏部件產品方面，還需要進行更深入的標準化研究和相關規(guī)范文件的產生。

用于室外或半室外的LED顯示屏的觀看環(huán)境亮度較高，所以信號亮度必須與背景有亮度差（比）。一般情況，如果是文字可以是2：1，如果是圖像其中還有差別，經驗上10：1是容許的最低限度，20：1是標準，希望在40：1以上。行業(yè)測試標準中關于亮度等級的定義是：室內環(huán)境照度為100×（1＋10％）LX和室外環(huán)境照度為10000（1＋10％）LX條件下，亮度等級達到20級以上的顯示屏歸入C級（最高級）?！癓ED顯示屏低灰信號起輝條件”與LED顯示屏實際顯示使用環(huán)境條件相結合，通過對系統(tǒng)，電源，恒流驅動，LED開啟參數等驅動條件的研究，盡快制定出更加合理的芯片，系統(tǒng)，電源和LED燈管的行業(yè)檢驗標準，是整個行業(yè)所期盼的。在LED顯示屏廠商逐漸追求LED顯示屏高灰度顯示的趨勢之下，討論LED顯示屏低灰度起輝條件的合理性變得更加迫切。

LED顯示屏的模塊驅動電路，一般包括靜態(tài)和動態(tài)驅動兩種電路拓撲，如圖一和圖二。圖像（視頻）信號通過控制器將控制信號進行串行編碼后，串行圖像數據（OE,LAT,SDI,SCLK及SDO）通過恒流IC級聯(lián)的方式進行傳輸分配，恒流IC將串行圖像信號進行串并轉換后去驅動LED點陣中的每位LED燈管；LED燈管正端供電電壓正常條件下,恒流驅動IC的輸出通道在有效圖像位驅動信號的作用下進行開啟和關斷，從而達到驅動LED點亮和熄滅的功能；恒流驅動IC的電流通過外置電阻REF來調節(jié)，通過改變REF的值來實現電流大小的調整。簡單地從圖一和圖二的電路來看，影響LED點亮的直接因素包括：圖像（視頻）的位驅動信號，LED燈管，點陣塊的供電，恒流IC的信號驅動特性，LED點陣模塊的電路設計等因素。本文就從這幾個方面的技術特點闡述LED顯示屏低灰度起輝條件。同樣條件下，由于動態(tài)和靜態(tài)掃描的電路相比，動態(tài)電路要求的掃描最小時間更短，低灰度起輝的條件更加嚴峻，所以本文就以1/4掃的動態(tài)驅動電路為例來簡單討論。

圖一，LED顯示屏靜態(tài)恒流驅動電路圖

圖二LED顯示屏動態(tài)1/4掃恒流驅動電路圖

一、LED圖像（視頻）系統(tǒng)控制系統(tǒng)
LED顯示屏的實際顯示效果直接影響了人們對其的接受程度，在這一點上LED顯示屏與其它顯示屏如CRT和液晶顯示屏并無區(qū)別。人們根據對傳統(tǒng)顯示屏的印象往往很容易察覺出顯示效果是粗躁還是細膩，自然還是生硬。LED顯示屏的實際效果已成為現階段各生產廠商關心的重要方面?？刂葡到y(tǒng)的掃描方法對顯示效果的影響，闡述了掃描參數與亮度，對比的，閃爍和顏色校正之間的關系。

常用灰度實現方法是占空比方式。這一點的依據來源于HVS(人眼視覺系統(tǒng))的特性：人眼視覺對于光的刺激從感覺上會有一段殘留時間，在該段時間內，若有別的光刺激到達視野內的其他場所，從感覺上會產生與前面的光線同時達到的效果，假如后續(xù)的光刺激到達同樣的場所，其感覺的強度會被疊加（被積分）。將LED燈管恒流驅動，如果在上述時間間隔內，以寬度不同的一系列脈沖控制LED發(fā)光，人眼感覺到的光強就是這一系列的光刺激強度的和。LED所具有的快速響應特性可以使脈沖頻率高達數十兆赫茲。因此，控制LED點亮所占時間比，即可控制人眼感受的亮度。例如用1MHZ,占空比為25％，峰值電流為100mA的脈沖去驅動LED,與用25mA的直流驅動相比其感受的亮度是相同的。
常用灰度實現方式采用占空比方式，比方說實現28即256級灰度的方法如下：各個段的時間長度按照1：2：4：8：16：32：64：128來安排。要顯示某級灰度的數據，只需要在相應的時間段內點亮LED，如22級灰度即可在第2，3，5時間段點亮LED，連續(xù)掃描后即可得到穩(wěn)定的帶灰度的圖象。對于4掃的控制電路，將每楨時間分為4段，每段時間內掃描屏體的一線。每段時間內再將LED點亮時間按照1：2：4：8：16：32：64：128來安排，在每線過程中一次將所有灰度掃完再掃下一線。

假如楨頻是F，一個n位二進制數D=[D0,D1,…Dn-1,]表示顯示灰度，那么對同一個像素點可以通過n場分別以D0,D1,…Dn-1,對應的占空比D0/20,D1/21,…Dn-1/2n-1循環(huán)顯示（如圖三所示），那么最小的時間周期與楨頻的關系是：TC*4＜1/F，其中TC=(∑2i+n-m)*T,i從0到m-1,n≥m。各個控制器廠家的編碼略有不同，但基本上遵行上述規(guī)律。

為了滿足顯示的效果，4段掃完的總時間不能大于18ms。這就要求最小灰度級的導通時間Ton，必須足夠小。隨著LED顯示屏的灰度級數設置得越高，Ton就變得更小了。最新的高速數字電路的處理速度完全能夠滿足16BIT灰度級數的信號編碼處理能力。但是目前決大多數的模塊信號傳輸帶寬，恒流驅動芯片傳輸帶寬卻是滿足不了這么快的信號速度。傳統(tǒng)恒流芯片的帶寬和傳統(tǒng)LED模塊信號傳輸路徑帶寬已經成為LED顯示屏高灰度顯示的技術瓶頸。當然對于實際的低灰度信號的起輝效果變得也更加惡劣，基本上是亮度成隨機不一致性分布。

二、LED恒流IC的信號驅動特性
如圖三，每一個LED單管都是獨立可控的，當開關閉合時，電流從行電源，經LED，開關到地，從而點亮；開關斷開時，LED熄滅。LED陣列就是由相應的開關陣列（控制器＋恒流芯片）控制，控制信號由LED圖像（視頻）控制系統(tǒng)邏輯產生。控制邏輯依據結構定義信號的意義，獨立控制各個LED。開關陣列可以采用各種形式，一般用電子開關（恒流驅動IC），甚至可以是控制邏輯中的一部分。串行邏輯不但接口簡單，而且容易級聯(lián)（SDI和SDO），組成更大的陣列，所以使用更為廣泛。驅動模塊的恒流芯片采用串行方式，內部設置串行、并行兩組寄存器，通過時鐘SCLK將數據串行輸入模塊，通過鎖存信號LAT將串行數據存入并行寄存器，同時通過OE使能信號驅動更新屏體顯示。

傳統(tǒng)控制系統(tǒng)中，如圖四所示的OE信號是一個受灰度調制的脈寬信號，當低灰度信號時，這個脈寬信號的寬度非常窄。尤其是在高灰度級編碼的情況之下，這個脈寬寬度將更窄。而這個窄信號的驅動將使開啟恒流芯片的輸出通道的時間也是非常窄。在高灰度級編碼情況之下，低灰度信號驅動的直接效果是將不足以驅動LED點亮。

尤其是恒流芯片本身的開啟能力（響應時間）將直接影響低灰度的顯示效果。譬如，TI的TLC5928的OE最小有效寬度是20ns，這種開啟能力將有助于低灰度起輝顯示的功能。相反，如果OE的最小有效寬度不能做?。ㄊ苄酒旧淼捻憫芰τ绊懀厥筁ED的低灰度起輝效果變得更差。

三、LED燈管

LED燈管跟普通的二極管一樣具有的開關特性，如圖五所示。（1）是一種理想的加載到二極管的正向和反向電壓示意圖；（2）是當二極管從加載正向電壓到加載反向電壓時，反向電流恢復變化的曲線示意圖；（3）是正向和電壓向反向電壓過渡的曲線示意圖。

由于二極管內部的勢壘電容的擴散電容的作用下，反向電流上升率與結溫，及開關前的正向電流等因素有關。反向恢復時間trr是延遲時間td與下降時間tf之和，其對二極管的工作頻率具有決定性的作用，限制了開關速度。同樣正向恢復時間也限制了正向電流上升速率和開關速度。

LED正常發(fā)光的條件是，加載在PN結上的正向電壓值達到一定的VF開啟門檻值時（如圖六），LED開始輻射發(fā)光，并在一定正向電壓電流安全范圍內發(fā)光強度與正向電流成近似正比例關系。但是實際應用時，一定不要讓加載在LED上的脈沖電流或脈沖電壓超過LED的最大極限值，否則，將造成LED芯片的損傷，擊穿LED或致使LED漏電流逐漸增大。

正常情況之下，LED的反應速度在100MHZ以上，完全可以滿足高灰度級低灰信號驅動時的正常顯示功能。但是如果外圍電路的分布參數使得，LED在高灰度級的低灰信號驅動時的驅動壓降不能達到正常開啟的電壓值，那么LED將不能正常點亮。

四、LED點陣模塊的供電

如圖六所示，4掃的點陣模塊的行電源通過4個LED連接到恒流信號的輸出通道上，當V1(V2,V3或V4)減去VD的值大于LED的正常開啟值時，LED將點亮。

行信號掃描結束后，該行電壓總線上任將保持一個電壓，這個電壓如果保持得足夠高，將實現動態(tài)掃描得拖尾顯示的故障現象。相反，對于某些編碼的控制系統(tǒng)，如果這個行電壓在高灰度級的低灰信號驅動時行電壓總線上的電壓值不能升到正常的正電壓值，也將影響低灰信號的正常開啟顯示。

五、LED點陣模塊的電路設計等因素

LED顯示模塊電路的設計可以充分考慮通過增加外圍電路，來改善信號傳輸的帶寬，通過增加旁路電容來消除電壓尖峰，在供電支路上增加磁珠來改善電流尖峰，而從達到在實際使用中合理保護免受LED損傷的目的。

在實際應用中，我們發(fā)現很多情況之下，低灰信號顯示不正常的直接原因是恒流芯片的輸出通道端的電壓(如圖六中的VD)在低灰信號驅動時，不能下降到正常的電壓值，從而導致了LED的正向壓降達不到正常的開啟值，所以不能正常起輝。我們在電路設計中可以采用一些輔助電路，來幫助輸出通道進行信號驅動前的充放電的動作，就可以解決低灰信號起輝的問題。

針對低灰信號起輝的問題筆者所任職的柏獅公司已經通過實驗驗證，取得了大量的有用實驗數據。我們愿意將這些研究成果與LED顯示行業(yè)的同行進行共享，共同給力LED顯示行業(yè)的良性發(fā)展。
柏獅認為，為了滿足高灰度級設置時的低灰信號起輝的正常顯示，是需要控制系統(tǒng)，恒流驅動芯片，LED燈管，模塊電路等部分的一起協(xié)同配合的結果；采用最好的材料做最好的顯示屏是我們對客戶的負責的基本態(tài)度，與此同時，也應該從實際使用的角度來合理對待高灰度級設定時的低灰信號驅動的起輝顯示的問題：低灰信號起輝是否對正常使用真正地起到非常重要的作用？低灰信號不起輝是否真正蘊含著某種潛在的質量風險？……