LED標牌和LED矩陣顯示屏如何設計

　　引言

　　基于LED的標牌和矩陣顯示屏為不斷增長(cháng)的室內外應用帶來(lái)了更多的功能以及絢麗奪目的視覺(jué)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(huà)面，還是傳統的打印或繪制廣告牌。本文將詳細介紹LED顯示屏系統的基本技術(shù)原理，以及使用分立LED燈泡陣列設計它們需要考慮的設計問(wèn)題。

　　LED 驅動(dòng)基礎

　　首先，我們要對比不同的LED驅動(dòng)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(shí)開(kāi)始導通。導通時(shí)其正向電流通常會(huì )發(fā)光。根據這個(gè)基本知識可以得出圖1a中的第一種選項，不過(guò)這樣行不通。因為 LED 電流是其電壓偏置的指數函數（公式1），LED 燈的光強度對該電壓非常敏感。大多數情況下，大電流條件通常會(huì )將原本長(cháng)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，取決于LED產(chǎn)品本身，與VT是熱電壓無(wú)關(guān)。假設串聯(lián)電阻RS是理想值零，那么僅0.1V的VF變化就會(huì )產(chǎn)生47倍的ILED差異。

　　例如，20mA的目標LED電流值在其偏置電流出現僅0.1V的差異時(shí)就會(huì )跳變至1A。即使考慮實(shí)際RS值，真實(shí)LED器件在具有0.1V偏置差異時(shí)仍會(huì )出現10至20倍的差異。

　　圖 1.對比三種LED驅動(dòng)電路

　　支持流限電阻器的電壓源

　　現在我們來(lái)看看圖1b。添加一個(gè)限流電阻器RLIMIT來(lái)保護LED燈。由于有限流電阻器，因此該燈不會(huì )被燒壞。在視頻顯示器應用領(lǐng)域，這種方法在控制LED光強度方面仍然不夠好。LED曲線(xiàn)和RLIMIT產(chǎn)生的負載曲線(xiàn)可決定其LED電流值。如紅色或藍色標記所示，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(huì )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。該恒流驅動(dòng)器電路可直接將LED電流調節為目標值。無(wú)論LED燈在制造過(guò)程中會(huì )產(chǎn)生多少VF變化，LED都會(huì )傳導特定的電流值。LED燈的光強度與通過(guò) PN 結點(diǎn)的電荷緊密相關(guān)，因此該恒流驅動(dòng)器是從LED燈獲得統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(gè)優(yōu)勢。圖2是LED驅動(dòng)器的基本輸出級結構。市場(chǎng)上很多LED驅動(dòng)器IC都有參考電流設置端 IREF，該參考電流是鏡像到其輸出端的恒流。

　　圖 2. LED 驅動(dòng)器IC的基本輸出配置

　　圖2是該討論的結果，即LED驅動(dòng)器的基本輸出電路配置。

　　色彩驅動(dòng)

　　到目前為止，我們已經(jīng)能夠確定如何驅動(dòng)單個(gè)LED燈了。下一步是為視頻顯示系統實(shí)現全色彩光輸出。通過(guò)組合光的不同深淺紅綠藍三原色（RGB），任何色彩都可生成。較為熟悉的示例是采用個(gè)人計算機（PC）上的色彩選擇工具。

　　數字或模擬的灰階控制

　　PC 操作系統將三種色彩混合為256個(gè)色階（每階8個(gè)二進(jìn)制位）或更多，以顯示全彩色像素。對于LED顯示系統而言，也需要采用相同概念的色階色彩強度控制，以便在LED驅動(dòng)器設計中實(shí)現色階控制或灰階控制。

　　首先應決定使用數字控制還是模擬控制。前面已經(jīng)介紹過(guò)，經(jīng)過(guò) PN 結點(diǎn)的總電荷數可決定光強度，因此數字和模擬方法均可控制光強度。圖3是數字和模擬法中的50%灰階控制。在總體256個(gè)色階的示例中，該50%表明了一個(gè)有128個(gè)灰階的目標。

　　圖 3.數字和模擬的50%強度控制

　　LED 電流與色彩變化

　　這時(shí)候，需要考慮電流變化對LED光輸出波長(cháng)值的影響。改變波長(cháng)就意味著(zhù)改變人眼看到的色彩。圖4 是綠色LED燈的實(shí)例。通常在業(yè)界，510nm 廣泛代表綠色。因此，大部分LED燈制造商所設計的LED燈產(chǎn)品在最大額定電流下都具備510nm的波長(cháng)。在圖4中，隨著(zhù)LED電流的升高，波長(cháng)可達到 510nm。獲得綠色的最佳方法是盡量使燈的驅動(dòng)電流接近最大額定值。這也就說(shuō)明了為什么使用數字控制比使用模擬控制好。

　　選擇數字控制的另一個(gè)優(yōu)勢是便于以數字電路模塊的形式對LED驅動(dòng)器IC實(shí)施控制。對于256階的灰階控制而言，數字控制的成本比模擬控制低。

　　圖 4.綠色LED電流與波長(cháng)實(shí)例

　　這種ON/OFF 數字控制稱(chēng)之為脈寬調制（PWM）控制，或者PWM調光?，F將PWM控制開(kāi)關(guān)添加至圖2。

　　如何構成矩陣或2D圖像

　　RGB LED燈可平鋪構成2維（2D）影像。

　　顯示系統結構

　　RGB LED燈可用于構成正方形的基礎結構或模塊。它通常包含一塊PCB以及一個(gè)16×16至64×64的像素陣列，不同的應用有所不同?？蓪⒍鄠€(gè)模塊組合在一起，構成機械系統結構或面板。LED顯示系統廠(chǎng)商通常提供各種面板。每個(gè)面板都有機械框架，可放置多個(gè)模塊。它包含一個(gè)或多個(gè)控制單元，用以提供電源分配、數據接口和處理器。在構建體育場(chǎng)大屏幕或路邊廣告牌等顯示系統的現場(chǎng)，可安裝多塊面板構成最終顯示屏。在施工現場(chǎng)，每塊面板的所有數據線(xiàn)和電源線(xiàn)都會(huì )集中在中央控制單元。

　　圖 5.LED 顯示系統由模塊/面板/顯示屏組成

　　像素間距

　　一套LED顯示系統包含大量的LED燈和一個(gè)大電源。設計系統時(shí)需要重點(diǎn)考慮LED燈的密度優(yōu)化問(wèn)題。LED 燈的該密度稱(chēng)為每個(gè)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(huì )改善影像輸出質(zhì)量，而且會(huì )增加成本。人眼可識別的兩個(gè)單光源是在這兩點(diǎn)形成1個(gè)弧度的1/60（=1 弧分）時(shí)。

　　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(shí)踐中，DPP1可視為過(guò)大，對于高質(zhì)量視頻系統而言三倍Dpp1就夠好了。在公式4中，DPP是指導標準。

　　公式4 的簡(jiǎn)單記憶方法是：

　　所需的像素間距（毫米：mm）=“視距”（米：m）

　　例如，5m視距的系統需要5mm像素間距來(lái)實(shí)現良好分辨率。另一個(gè)視覺(jué)實(shí)例如圖7所示，圖中展示了過(guò)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(lái)很粗糙，無(wú)法近距離辨識。但保持一定的距離觀(guān)看時(shí)影像開(kāi)始變得清晰，與觀(guān)看像素間距為5mm的影像（下）類(lèi)似。這個(gè)實(shí)例清楚地說(shuō)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)驅動(dòng)器與時(shí)分復用驅動(dòng)器

　　從圖2可以看出，LED燈的陰極采用當前市場(chǎng)常見(jiàn)的LED驅動(dòng)器IC驅動(dòng)。這里要討論LED燈的陽(yáng)極驅動(dòng)器電路。陰極采用恒流驅動(dòng)器有優(yōu)勢，陽(yáng)極希望也只提供足夠的電壓。但仍需做出如何驅動(dòng)陽(yáng)極的重要決定！

　　圖8 對比了靜態(tài)陽(yáng)極驅動(dòng)器系統與時(shí)分復用陽(yáng)極驅動(dòng)器系統。靜態(tài)陽(yáng)極驅動(dòng)器配置十分明確：一個(gè)LED驅動(dòng)器IC驅動(dòng)一個(gè)LED。在設計具有大量像素點(diǎn)的系統時(shí)，靜態(tài)陽(yáng)極驅動(dòng)器需要大量LED驅動(dòng)器IC。相反，時(shí)分復用陽(yáng)極驅動(dòng)器系統讓多個(gè)LED燈共享一個(gè)IC，因而使用的LED驅動(dòng)器IC數量較少。時(shí)分復用驅動(dòng)器的權衡在于輸出LED光強度會(huì )因分時(shí)而降低。

　　在戶(hù)外顯示系統中，需要極強的LED輸出來(lái)克服太陽(yáng)光亮度，以便人眼能看清楚影像。在這種戶(hù)外系統中，更適合選用靜態(tài)陽(yáng)極驅動(dòng)器。另一方面，在室內系統中，時(shí)分復用陽(yáng)極驅動(dòng)器則是降低系統構建成本的好方法。

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

　　圖 8.靜態(tài)陽(yáng)極驅動(dòng)器與時(shí)分復用陽(yáng)極驅動(dòng)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顯示24張不同的靜態(tài)影像，幀速率為24。

　　當模擬電視攝像機拍攝另一個(gè)模擬電視屏幕時(shí)，可產(chǎn)生由視頻影像與黑色條帶構成的斑馬紋混合畫(huà)面（圖 9）。這種現象由同步電視攝像機和電視屏幕掃描率引起。在拍攝LED屏幕的攝像機采用時(shí)分復用陽(yáng)極驅動(dòng)器時(shí)，也會(huì )出現相同的問(wèn)題。應用實(shí)例包括使用電視攝像機拍攝背景墻壁上由LED顯示器放大演員的舞臺影像或者用電視攝像機拍攝體育場(chǎng)中體育賽事比分牌或標牌等。要避免這個(gè)問(wèn)題，LED顯示器現在需要比攝像機系統運行得更快，特別是在專(zhuān)用LED顯示器市場(chǎng)。

　　圖 9. 電視攝像機拍攝另一個(gè)電視屏幕引起的黑色條帶

　　為滿(mǎn)足更快運行這一要求，很多LED顯示系統都在一個(gè)幀周期內反復顯示相同的影像，稱(chēng)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(gè)幀重復“影像 x”兩次。因而本實(shí)例“幀刷新率”= 2 ד幀速率”。

　　圖 10.幀速率與幀刷新率

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

　　ON/OFF 控制驅動(dòng)器或 PWM 控制驅動(dòng)器

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

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

　　圖11b是采用PWM控制IC的系統，具有一個(gè)可參考時(shí)鐘計數器的灰階參考時(shí)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(guò)計數器和灰階 （GS）寄存器比較和生成PWM輸出模式。

　　對于這兩種類(lèi)型的驅動(dòng)器IC而言，兩種工作都是并列執行的：

　　- 恒流驅動(dòng)器模塊根據當前顯示周期數據的輸入驅動(dòng)其LED燈陣列；

　　- 并將下一個(gè)顯示周期的數據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

　　總結

　　首先介紹單個(gè)LED燈的驅動(dòng)器電路，再討論詳細的LED燈物理特性、顯示系統的物理布局與結構以及靜態(tài)及時(shí)分復用控制，進(jìn)而得出完整的LED驅動(dòng)器IC結構。

　　在第2部分，我們將介紹影像處理控制器IC與LED驅動(dòng)器IC之間的數據傳送，并舉出實(shí)例。另外還將探討與LED顯示驅動(dòng)器IC有關(guān)的特性主題。