先進(jìn)的LED驅(qū)動器提升全彩視頻顯示屏的質(zhì)量

前言

        我們在日常生活中隨處可見的LED發(fā)光二極管不再是什么新鮮科技，LED在多個細(xì)分市場上的強(qiáng)勁的增長勢頭已是既定事實(shí)。

        廣告顯示屏或數(shù)字標(biāo)牌是LED應(yīng)用最廣泛的領(lǐng)域之一。從單色顯示屏到全彩顯示屏，LED解決方案被廣泛用于市場需求和復(fù)雜程度不同的路標(biāo)指示牌、廣告顯示屏、戶內(nèi)外視頻顯示屏等。本文主要論述全彩LED視頻顯示屏的主要技術(shù)要求，以及如何實(shí)現(xiàn)所需的性能。

全彩LED視頻顯示屏

        全彩LED視頻顯示屏是能夠以數(shù)百萬種顏色顯示影像和動畫的顯示屏。LED顯示屏應(yīng)用場景包括體育場、建筑外觀、購物中心、電視演播室。

        大型LED顯示屏被用于播放廣告和資訊，重播體育賽事或音樂會。圖1 是LED顯示屏結(jié)構(gòu)簡圖。

 
圖1：LED全彩視頻顯示屏簡圖

        不同類型的視頻信源提供的視頻輸入信號經(jīng)過處理后被送入LED顯示屏。 

        整個顯示屏通常由若干個正方形或矩形的點(diǎn)陣組成，每個點(diǎn)陣又由若干個像素組成。每個像素由RGB (紅、綠、藍(lán))LED燈管組成，通過混合這些LED的燈光顏色，就可產(chǎn)生所需的像素信息。LED驅(qū)動器相當(dāng)于被處理后的視頻數(shù)據(jù)與RGB LED發(fā)出的彩色燈光之間的接口（圖像就是由這些彩色光線構(gòu)成的）。

        從大型LED視頻顯示屏的目標(biāo)應(yīng)用考慮，我們很容易意識到畫質(zhì)所扮演的重要作用。 

這個概念包含幾方面的內(nèi)容:

• 原始圖像的信號質(zhì)量以及數(shù)據(jù)處理能力是取得良好畫質(zhì)的前提條件。
• 顯示屏的大小、分辨率高低、像素間距和LED選擇是決定人眼感受到的畫質(zhì)的關(guān)鍵參數(shù)。
• 需要選擇一個適合的LED驅(qū)動器，能夠把處理后的圖像數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成所需的彩色和動畫效果。

        鑒于本文的目的是描述LED顯示屏的LED驅(qū)動器解決方案，我們將在以下的章節(jié)重點(diǎn)介紹上面提到三方面內(nèi)容的最后一點(diǎn)。

LED顯示屏對LED驅(qū)動器的要求

        在彩色和動畫方面，為取得優(yōu)異的畫質(zhì)，需要整合多種不同的功能：高幀率、高刷新率、顏色還原精度等。不過，顯示屏的質(zhì)量不僅指圖像本身，還指解決方案的整體質(zhì)量，例如，抗干擾性和可靠性。因此，所有的彩色LED顯示屏需要選擇技術(shù)精密的LED驅(qū)動器：

• 良好的顯色性取決于每個RGB（以及每個顏色）的有效亮度:有效亮度越高，顯示的顏色越豐富。合理而精細(xì)地控制亮度需要利用PWM調(diào)光技術(shù)控制大量的亮度。
• 高幀率和高刷新率需要高速率地處理大量數(shù)據(jù)。LED驅(qū)動器可利用高頻串口和靈活的數(shù)據(jù)格式管理功能滿足這些要求。
• 一支或多支LED燈管失效會影響像素顏色的精度，危及影像的整體視覺效果，影響系統(tǒng)的畫質(zhì)。讓顯示屏保持理想視覺效果需要一個可靠的LED失效條件檢測方法。
 
全彩視頻顯示屏LED驅(qū)動器解決方案         

        意法半導(dǎo)體擁有各種顯示器和數(shù)字標(biāo)牌LED驅(qū)動器產(chǎn)品，其中STP1612PW05 (見圖 2)是意法半導(dǎo)體為全彩LED視頻顯示屏專門研制的LED驅(qū)動器。

        這款產(chǎn)品是一個16通道LED驅(qū)動器，內(nèi)置一個高頻串行數(shù)據(jù)接口。每路通道的最大輸出電流為60mA，可以通過一個外部電阻器調(diào)節(jié)輸出電流，使用一個8位增益寄存器可以精確調(diào)節(jié)256級灰度。

        在更低的電流下提高電流精度(通道之間典型值 ± 1.5% )符合LED技術(shù)的發(fā)光效率改進(jìn)要求。實(shí)際上，高能效LED的問世讓顯示屏制造商能夠使用更低的電流LED驅(qū)動器取得相同的亮度。

        該產(chǎn)品為每路輸出通道配備了獨(dú)立的可調(diào)PWM亮度控制功能。眾所周知的PWM調(diào)光功能在LED色彩保護(hù)方面的優(yōu)勢以及4096（12位）或65536（16位）級可調(diào)亮度，最終可使色差和畫質(zhì)得到明顯改進(jìn)。

        此外，為進(jìn)一步提升調(diào)光控制功能，該產(chǎn)品還采用了Scrambled PWM模式。PWM總周期基本上覆蓋了很多刷新周期，效果就是像提高調(diào)光頻率而保持調(diào)光分辨率不變，從而降低畫面閃動。

        STP1612PW05內(nèi)置串行接口符合顯示屏的高速數(shù)據(jù)速率和數(shù)據(jù)格式靈活性要求：數(shù)據(jù)發(fā)送時鐘頻率可高達(dá)30MHz，采用16x16位格式（若亮度選擇4096級，數(shù)據(jù)格式為6x12位)或壓縮度更高的256位格式。正如前文提到的，一個抗干擾性強(qiáng)且可靠的LED驅(qū)動器可大幅提升系統(tǒng)的總體質(zhì)量。

        當(dāng)發(fā)現(xiàn)失效的LED燈管（開路或短路）時，STP1612PW05 會把檢測結(jié)果通過串行接口送到微控制器，從而避免相關(guān)像素的顏色變化或關(guān)閉，保護(hù)圖像的一致性。

 
圖2 ：STP1612PW05結(jié)構(gòu)簡圖

        在一幀視頻圖像開始時所有的LED燈管同時導(dǎo)通，這會產(chǎn)生上升斜率很大的涌流，這意味著需要很大的輸入電容，寄生通道會產(chǎn)生振蕩，系統(tǒng)產(chǎn)生噪聲。把四路連續(xù)輸出組成一組（第1組OUT0、OUT1、OUT2和OUT3；第2組從OUT4到OUT7；按照這個順序排列下去)，每組之間連續(xù)延時40ns，使輸出通道的導(dǎo)通時間錯開，這樣可以大幅降低涌流。  

        因?yàn)槿魏卧颍ň€路斷開）導(dǎo)致PWCLK時鐘信號不存在（PWM計數(shù)器時鐘信號，用于進(jìn)行PWM調(diào)光控制），這會讓顯示屏上的所有LED無限期地導(dǎo)通。

        除影響圖像正確顯示外，這種意外事件還會燒毀或損壞LED燈管。STP1612PW05內(nèi)置可以激活PWM時鐘超時斷開的保護(hù)功能：當(dāng)PWCLK信號消失1秒以上時，信號發(fā)生器將被強(qiáng)制關(guān)閉。

應(yīng)用示例

        實(shí)現(xiàn)目標(biāo)亮度的LED正向電壓與可設(shè)置的電流隨著LED顏色不同而變化：在紅光、綠光和藍(lán)光三種顏色LED中，紅光LED的正向電壓最低，藍(lán)光LED的驅(qū)動電流最低。因此，建議每種燈光顏色使用不同的驅(qū)動器。圖3 描述了一個采用STP1612PW05實(shí)現(xiàn)的應(yīng)用示例。

 
圖 3：通過STP1612PW05驅(qū)動一個全彩LED顯示屏點(diǎn)陣的設(shè)計簡圖

        每個顯示屏點(diǎn)陣是由16個像素組成，每個像素是由4支彩色LED燈管（1支紅的、1支藍(lán)的、2支綠的）組成。

        16支相同顏色的LED由一顆STP1612PW05驅(qū)動。 LED電源電壓(VLED)的選擇是在幾個通常是對立的需求之間的一種平衡考量。 VLED 電壓應(yīng)該足夠高，使LED能夠保持正確的通態(tài)，但是應(yīng)最大限度地降低LED驅(qū)動器的電流發(fā)生器的電壓降，否則會引起無用的功耗，并導(dǎo)致芯片和系統(tǒng)過熱。顯然，紅光 、綠光和藍(lán)光共用一個VLED電壓并不是最佳的解決方案。理想的解決方案是優(yōu)化LED電源電壓，把LED燈管的電壓軌分開可以取得理想的效果。這需要合理地驅(qū)動所有的LED燈管，同時節(jié)省電能。

結(jié)論

        全彩LED視頻顯示屏的高質(zhì)量要求給設(shè)計人員選擇適合的LED驅(qū)動器選帶來新的挑戰(zhàn)。卓越的顏色還原性能和視頻失真最小化是這些應(yīng)用的基本要求。意法半導(dǎo)體專門為全彩視頻顯示屏定制的LED驅(qū)動器是一個高質(zhì)量的解決方案，能夠滿足全彩視頻顯示屏的技術(shù)要求。

參考文獻(xiàn)

[1]  STP1612PW05 Datasheet, STMicroelectronics
[2] UM0882, User Manual STEVAL-ILL028V1 LED Dimmer board, STMicroelectronics