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(chǎn)工程中又必須直接面對的一個技術(shù)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(diào)低成本，采用一些技術(shù)參數(shù)達不到設(shè)計要求的部件。這種做事方式勢必導(dǎo)致一種相反的結(jié)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(jù)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(chǎn)業(yè)鏈良性協(xié)作整合，也符合絕大多數(shù)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(chǎn)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(nèi)也涌現(xiàn)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(lǐng)軍企業(yè)，在技術(shù)研發(fā)，質(zhì)量管理體系的建設(shè)，處在行業(yè)的領(lǐng)先位置。

LED顯示屏的發(fā)展經(jīng)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(shù)，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(shù)，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(shù)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(shè)計參數(shù)的選取并不是隨意的，而是有許多限制條件的，在設(shè)計中反復(fù)的選取參數(shù)還是有某些設(shè)計原則需要遵守的。LED顯示技術(shù)發(fā)展的十幾年中，新器件和新技術(shù)不斷采用，制造成本逐漸降低，生產(chǎn)分工不斷細化，但大量應(yīng)用的同時也暴露出LED顯示技術(shù)若干缺陷，總體上來說技術(shù)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(jīng)對顯示屏產(chǎn)品的相關(guān)技術(shù)參數(shù)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(jié)構(gòu)組件等顯示屏部件產(chǎn)品方面，還需要進行更深入的標準化研究和相關(guān)規(guī)范文件的產(chǎn)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(jīng)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(guān)于亮度等級的定義是：室內(nèi)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(jié)合，通過對系統(tǒng)，電源，恒流驅(qū)動，LED開啟參數(shù)等驅(qū)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(qū)動電路，一般包括靜態(tài)和動態(tài)驅(qū)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(shù)據(jù)（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(zhuǎn)換后去驅(qū)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(qū)動IC的輸出通道在有效圖像位驅(qū)動信號的作用下進行開啟和關(guān)斷，從而達到驅(qū)動LED點亮和熄滅的功能；恒流驅(qū)動IC的電流通過外置電阻REF來調(diào)節(jié)，通過改變REF的值來實現(xiàn)電流大小的調(diào)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(qū)動信號，LED燈管，點陣塊的供電，恒流IC的信號驅(qū)動特性，LED點陣模塊的電路設(shè)計等因素。本文就從這幾個方面的技術(shù)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(qū)動電路為例來簡單討論。

圖一，LED顯示屏靜態(tài)恒流驅(qū)動電路圖

圖二LED顯示屏動態(tài)1/4掃恒流驅(qū)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(jù)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(xiàn)階段各生產(chǎn)廠商關(guān)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(shù)與亮度，對比的，閃爍和顏色校正之間的關(guān)系。

常用灰度實現(xiàn)方法是占空比方式。這一點的依據(jù)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(nèi)，若有別的光刺激到達視野內(nèi)的其他場所，從感覺上會產(chǎn)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(qū)動，如果在上述時間間隔內(nèi)，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(yīng)特性可以使脈沖頻率高達數(shù)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(qū)動LED,與用25mA的直流驅(qū)動相比其感受的亮度是相同的。
常用灰度實現(xiàn)方式采用占空比方式，比方說實現(xiàn)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(shù)據(jù)，只需要在相應(yīng)的時間段內(nèi)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(nèi)掃描屏體的一線。每段時間內(nèi)再將LED點亮?xí)r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(shù)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(yīng)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(guān)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(dǎo)通時間Ton，必須足夠小。隨著LED顯示屏的灰度級數(shù)設(shè)置得越高，Ton就變得更小了。最新的高速數(shù)字電路的處理速度完全能夠滿足16BIT灰度級數(shù)的信號編碼處理能力。但是目前決大多數(shù)的模塊信號傳輸帶寬，恒流驅(qū)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(jīng)成為LED顯示屏高灰度顯示的技術(shù)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(qū)動特性
如圖三，每一個LED單管都是獨立可控的，當開關(guān)閉合時，電流從行電源，經(jīng)LED，開關(guān)到地，從而點亮；開關(guān)斷開時，LED熄滅。LED陣列就是由相應(yīng)的開關(guān)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(chǎn)生?？刂七壿嬕罁?jù)結(jié)構(gòu)定義信號的意義，獨立控制各個LED。開關(guān)陣列可以采用各種形式，一般用電子開關(guān)（恒流驅(qū)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(qū)動模塊的恒流芯片采用串行方式，內(nèi)部設(shè)置串行、并行兩組寄存器，通過時鐘SCLK將數(shù)據(jù)串行輸入模塊，通過鎖存信號LAT將串行數(shù)據(jù)存入并行寄存器，同時通過OE使能信號驅(qū)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(diào)制的脈寬信號，當?shù)突叶刃盘枙r，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(qū)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(qū)動的直接效果是將不足以驅(qū)動LED點亮。

尤其是恒流芯片本身的開啟能力（響應(yīng)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小（受芯片本身的響應(yīng)能力影響），必使LED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(guān)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(fù)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(nèi)部的勢壘電容的擴散電容的作用下，反向電流上升率與結(jié)溫，及開關(guān)前的正向電流等因素有關(guān)。反向恢復(fù)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(guān)速度。同樣正向恢復(fù)時間也限制了正向電流上升速率和開關(guān)速度。

LED正常發(fā)光的條件是，加載在PN結(jié)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(nèi)發(fā)光強度與正向電流成近似正比例關(guān)系。但是實際應(yīng)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(yīng)速度在100MHZ以上，完全可以滿足高灰度級低灰信號驅(qū)動時的正常顯示功能。但是如果外圍電路的分布參數(shù)使得，LED在高灰度級的低灰信號驅(qū)動時的驅(qū)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(jié)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(xiàn)動態(tài)掃描得拖尾顯示的故障現(xiàn)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(qū)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(shè)計等因素

LED顯示模塊電路的設(shè)計可以充分考慮通過增加外圍電路，來改善信號傳輸?shù)膸?，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(yīng)用中，我們發(fā)現(xiàn)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(qū)動時，不能下降到正常的電壓值，從而導(dǎo)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(shè)計中可以采用一些輔助電路，來幫助輸出通道進行信號驅(qū)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(jīng)通過實驗驗證，取得了大量的有用實驗數(shù)據(jù)。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(shè)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(qū)動芯片，LED燈管，模塊電路等部分的一起協(xié)同配合的結(jié)果；采用最好的材料做最好的顯示屏是我們對客戶的負責(zé)的基本態(tài)度，與此同時，也應(yīng)該從實際使用的角度來合理對待高灰度級設(shè)定時的低灰信號驅(qū)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(zhì)量風(fēng)險？……