LED標(biāo)牌和LED矩陣顯示屏如何設(shè)計

　　引言

　　基于LED的標(biāo)牌和矩陣顯示屏為不斷增長的室內(nèi)外應(yīng)用帶來了更多的功能以及絢麗奪目的視覺效果。 LED技術(shù)的最新發(fā)展使人們很難分辨出自己看到的到底是其高質(zhì)量顯示屏的靜止畫面，還是傳統(tǒng)的打印或繪制廣告牌。本文將詳細(xì)介紹LED顯示屏系統(tǒng)的基本技術(shù)原理，以及使用分立LED燈泡陣列設(shè)計它們需要考慮的設(shè)計問題。

　　LED 驅(qū)動基礎(chǔ)

　　首先，我們要對比不同的LED驅(qū)動電路，以確定最佳方案。

　　連接電壓源

　　眾所周知，LED 燈（或二極管）在具有足夠正向電壓（VF）時開始導(dǎo)通。導(dǎo)通時其正向電流通常會發(fā)光。根據(jù)這個基本知識可以得出圖1a中的第一種選項，不過這樣行不通。因為 LED 電流是其電壓偏置的指數(shù)函數(shù)（公式1），LED 燈的光強(qiáng)度對該電壓非常敏感。大多數(shù)情況下，大電流條件通常會將原本長壽命的LED變成昂貴的閃光燈泡。

　　下面是圖1a行不通的原因所在。在公式1中，IS、RS是常數(shù)，取決于LED產(chǎn)品本身，與VT是熱電壓無關(guān)。假設(shè)串聯(lián)電阻RS是理想值零，那么僅0.1V的VF變化就會產(chǎn)生47倍的ILED差異。

　　例如，20mA的目標(biāo)LED電流值在其偏置電流出現(xiàn)僅0.1V的差異時就會跳變至1A。即使考慮實際RS值，真實LED器件在具有0.1V偏置差異時仍會出現(xiàn)10至20倍的差異。

　　圖 1.對比三種LED驅(qū)動電路

　　支持流限電阻器的電壓源

　　現(xiàn)在我們來看看圖1b。添加一個限流電阻器RLIMIT來保護(hù)LED燈。由于有限流電阻器，因此該燈不會被燒壞。在視頻顯示器應(yīng)用領(lǐng)域，這種方法在控制LED光強(qiáng)度方面仍然不夠好。LED曲線和RLIMIT產(chǎn)生的負(fù)載曲線可決定其LED電流值。如紅色或藍(lán)色標(biāo)記所示，該LED和電阻器分別存在制造誤差造成的正向電壓變化及電阻變化。這些誤差因素會使LED電流（綠）產(chǎn)生不可忽視的變化。

　　恒流源

　　圖1c采用恒流電路而非電阻器。該恒流驅(qū)動器電路可直接將LED電流調(diào)節(jié)為目標(biāo)值。無論LED燈在制造過程中會產(chǎn)生多少VF變化，LED都會傳導(dǎo)特定的電流值。LED燈的光強(qiáng)度與通過 PN 結(jié)點的電荷緊密相關(guān)，因此該恒流驅(qū)動器是從LED燈獲得統(tǒng)一光輸出的理想方法。

　　此外，我們都知道集成電路（IC）可提供良好的匹配電路對。這也是選擇恒流法的另一個優(yōu)勢。圖2是LED驅(qū)動器的基本輸出級結(jié)構(gòu)。市場上很多LED驅(qū)動器IC都有參考電流設(shè)置端 IREF，該參考電流是鏡像到其輸出端的恒流。

　　圖 2. LED 驅(qū)動器IC的基本輸出配置

　　圖2是該討論的結(jié)果，即LED驅(qū)動器的基本輸出電路配置。

　　色彩驅(qū)動

　　到目前為止，我們已經(jīng)能夠確定如何驅(qū)動單個LED燈了。下一步是為視頻顯示系統(tǒng)實現(xiàn)全色彩光輸出。通過組合光的不同深淺紅綠藍(lán)三原色（RGB），任何色彩都可生成。較為熟悉的示例是采用個人計算機(jī)（PC）上的色彩選擇工具。

　　數(shù)字或模擬的灰階控制

　　PC 操作系統(tǒng)將三種色彩混合為256個色階（每階8個二進(jìn)制位）或更多，以顯示全彩色像素。對于LED顯示系統(tǒng)而言，也需要采用相同概念的色階色彩強(qiáng)度控制，以便在LED驅(qū)動器設(shè)計中實現(xiàn)色階控制或灰階控制。

　　首先應(yīng)決定使用數(shù)字控制還是模擬控制。前面已經(jīng)介紹過，經(jīng)過 PN 結(jié)點的總電荷數(shù)可決定光強(qiáng)度，因此數(shù)字和模擬方法均可控制光強(qiáng)度。圖3是數(shù)字和模擬法中的50%灰階控制。在總體256個色階的示例中，該50%表明了一個有128個灰階的目標(biāo)。

　　圖 3.數(shù)字和模擬的50%強(qiáng)度控制

　　LED 電流與色彩變化

　　這時候，需要考慮電流變化對LED光輸出波長值的影響。改變波長就意味著改變?nèi)搜劭吹降纳?。圖4 是綠色LED燈的實例。通常在業(yè)界，510nm 廣泛代表綠色。因此，大部分LED燈制造商所設(shè)計的LED燈產(chǎn)品在最大額定電流下都具備510nm的波長。在圖4中，隨著LED電流的升高，波長可達(dá)到 510nm。獲得綠色的最佳方法是盡量使燈的驅(qū)動電流接近最大額定值。這也就說明了為什么使用數(shù)字控制比使用模擬控制好。

　　選擇數(shù)字控制的另一個優(yōu)勢是便于以數(shù)字電路模塊的形式對LED驅(qū)動器IC實施控制。對于256階的灰階控制而言，數(shù)字控制的成本比模擬控制低。

　　圖 4.綠色LED電流與波長實例

　　這種ON/OFF 數(shù)字控制稱之為脈寬調(diào)制（PWM）控制，或者PWM調(diào)光。現(xiàn)將PWM控制開關(guān)添加至圖2。

　　如何構(gòu)成矩陣或2D圖像

　　RGB LED燈可平鋪構(gòu)成2維（2D）影像。

　　顯示系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

　　RGB LED燈可用于構(gòu)成正方形的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)或模塊。它通常包含一塊PCB以及一個16×16至64×64的像素陣列，不同的應(yīng)用有所不同。可將多個模塊組合在一起，構(gòu)成機(jī)械系統(tǒng)結(jié)構(gòu)或面板。LED顯示系統(tǒng)廠商通常提供各種面板。每個面板都有機(jī)械框架，可放置多個模塊。它包含一個或多個控制單元，用以提供電源分配、數(shù)據(jù)接口和處理器。在構(gòu)建體育場大屏幕或路邊廣告牌等顯示系統(tǒng)的現(xiàn)場，可安裝多塊面板構(gòu)成最終顯示屏。在施工現(xiàn)場，每塊面板的所有數(shù)據(jù)線和電源線都會集中在中央控制單元。

　　圖 5.LED 顯示系統(tǒng)由模塊/面板/顯示屏組成

　　像素間距

　　一套LED顯示系統(tǒng)包含大量的LED燈和一個大電源。設(shè)計系統(tǒng)時需要重點考慮LED燈的密度優(yōu)化問題。LED 燈的該密度稱為每個像素的距離或像素間距。如果像素間距太密，一旦超出了人眼能識別的精度，它就不會改善影像輸出質(zhì)量，而且會增加成本。人眼可識別的兩個單光源是在這兩點形成1個弧度的1/60（=1 弧分）時。

　　圖 6.人眼可識別的分辨率

　　圖6是如何計算人眼可分辨像素間距Dpp1。如公式3所示，其中L為視距。

　　在最佳實踐中，DPP1可視為過大，對于高質(zhì)量視頻系統(tǒng)而言三倍Dpp1就夠好了。在公式4中，DPP是指導(dǎo)標(biāo)準(zhǔn)。

　　公式4 的簡單記憶方法是：

　　所需的像素間距（毫米：mm）=“視距”（米：m）

　　例如，5m視距的系統(tǒng)需要5mm像素間距來實現(xiàn)良好分辨率。另一個視覺實例如圖7所示，圖中展示了過低像素間距如何降低輸出影像質(zhì)量。像素間距為12.5mm 的影像（上）看起來很粗糙，無法近距離辨識。但保持一定的距離觀看時影像開始變得清晰，與觀看像素間距為5mm的影像（下）類似。這個實例清楚地說明了視距與像素間距的關(guān)系。

　　圖 7.不同像素間距與視距的對比

　　靜態(tài)驅(qū)動器與時分復(fù)用驅(qū)動器

　　從圖2可以看出，LED燈的陰極采用當(dāng)前市場常見的LED驅(qū)動器IC驅(qū)動。這里要討論LED燈的陽極驅(qū)動器電路。陰極采用恒流驅(qū)動器有優(yōu)勢，陽極希望也只提供足夠的電壓。但仍需做出如何驅(qū)動陽極的重要決定！

　　圖8 對比了靜態(tài)陽極驅(qū)動器系統(tǒng)與時分復(fù)用陽極驅(qū)動器系統(tǒng)。靜態(tài)陽極驅(qū)動器配置十分明確：一個LED驅(qū)動器IC驅(qū)動一個LED。在設(shè)計具有大量像素點的系統(tǒng)時，靜態(tài)陽極驅(qū)動器需要大量LED驅(qū)動器IC。相反，時分復(fù)用陽極驅(qū)動器系統(tǒng)讓多個LED燈共享一個IC，因而使用的LED驅(qū)動器IC數(shù)量較少。時分復(fù)用驅(qū)動器的權(quán)衡在于輸出LED光強(qiáng)度會因分時而降低。

　　在戶外顯示系統(tǒng)中，需要極強(qiáng)的LED輸出來克服太陽光亮度，以便人眼能看清楚影像。在這種戶外系統(tǒng)中，更適合選用靜態(tài)陽極驅(qū)動器。另一方面，在室內(nèi)系統(tǒng)中，時分復(fù)用陽極驅(qū)動器則是降低系統(tǒng)構(gòu)建成本的好方法。

　　時分復(fù)用已經(jīng)成了當(dāng)前應(yīng)用最常用的技術(shù)，因此我們將將其用于本文剩余部分討論的應(yīng)用中。

　　圖 8.靜態(tài)陽極驅(qū)動器與時分復(fù)用陽極驅(qū)動器

　　如何創(chuàng)建電影/視頻影像

　　之前我們探討了如何顯示靜態(tài)影像。如果我們不斷變化靜態(tài)影像，就可將其變?yōu)殡娪盎蛞曨l。

　　幀速率/幀刷新率

　　老式模擬電視通常在一秒鐘內(nèi)顯示24張不同的靜態(tài)影像，幀速率為24。

　　當(dāng)模擬電視攝像機(jī)拍攝另一個模擬電視屏幕時，可產(chǎn)生由視頻影像與黑色條帶構(gòu)成的斑馬紋混合畫面（圖 9）。這種現(xiàn)象由同步電視攝像機(jī)和電視屏幕掃描率引起。在拍攝LED屏幕的攝像機(jī)采用時分復(fù)用陽極驅(qū)動器時，也會出現(xiàn)相同的問題。應(yīng)用實例包括使用電視攝像機(jī)拍攝背景墻壁上由LED顯示器放大演員的舞臺影像或者用電視攝像機(jī)拍攝體育場中體育賽事比分牌或標(biāo)牌等。要避免這個問題，LED顯示器現(xiàn)在需要比攝像機(jī)系統(tǒng)運行得更快，特別是在專用LED顯示器市場。

　　圖 9. 電視攝像機(jī)拍攝另一個電視屏幕引起的黑色條帶

　　為滿足更快運行這一要求，很多LED顯示系統(tǒng)都在一個幀周期內(nèi)反復(fù)顯示相同的影像，稱為幀刷新率。圖10是幀速率與刷新率的關(guān)系。只有兩張幀影像：A 和 B。每個幀重復(fù)“影像 x”兩次。因而本實例“幀刷新率”= 2 ד幀速率”。

　　圖 10.幀速率與幀刷新率

　　在普通LED顯示系統(tǒng)中，幀速率在50Hz至120Hz的范圍內(nèi)，而幀刷新率則介于50Hz至2kHz之間。

　　ON/OFF 控制驅(qū)動器或 PWM 控制驅(qū)動器

　　為了滿足系統(tǒng)幀速率與刷新率的需求，需要在實施邏輯電路的兩種方法中做出選擇。第一種是ON/OFF控制驅(qū)動器，而第二種則是PWM控制驅(qū)動器。

　　圖11a是采用ON/OFF控制IC的系統(tǒng)，具有每個位對應(yīng)于一個輸出的ON/OFF寄存器。寄存器位的邏輯高可打開對應(yīng)的輸出，而邏輯低則可將其關(guān)閉。

　　圖11b是采用PWM控制IC的系統(tǒng)，具有一個可參考時鐘計數(shù)器的灰階參考時鐘輸入端。另外，該IC還具有一組保存灰階邏輯代碼的寄存器。PWM 比較器可通過計數(shù)器和灰階 （GS）寄存器比較和生成PWM輸出模式。

　　對于這兩種類型的驅(qū)動器IC而言，兩種工作都是并列執(zhí)行的：

　　- 恒流驅(qū)動器模塊根據(jù)當(dāng)前顯示周期數(shù)據(jù)的輸入驅(qū)動其LED燈陣列；

　　- 并將下一個顯示周期的數(shù)據(jù)接收在移位寄存器中。

　　圖 11.采用ON/OFF控制IC和PWM控制IC的LED顯示系統(tǒng)

　　總結(jié)

　　首先介紹單個LED燈的驅(qū)動器電路，再討論詳細(xì)的LED燈物理特性、顯示系統(tǒng)的物理布局與結(jié)構(gòu)以及靜態(tài)及時分復(fù)用控制，進(jìn)而得出完整的LED驅(qū)動器IC結(jié)構(gòu)。

　　在第2部分，我們將介紹影像處理控制器IC與LED驅(qū)動器IC之間的數(shù)據(jù)傳送，并舉出實例。另外還將探討與LED顯示驅(qū)動器IC有關(guān)的特性主題。