系統分析LED顯示屏應用設計方案

本文結合LED屏品牌廠(chǎng)家10多年的工程經(jīng)驗，全面地分析了多功能禮堂舞臺演出和高清視頻會(huì )議顯示需求，從點(diǎn)距選定、像素封裝、視距確定、電路設計、安裝基礎及系統調試等方面入手，分享關(guān)于聯(lián)誠發(fā)室內LED顯示屏設計經(jīng)驗。

LED之所以受到廣泛重視而得到迅速發(fā)展，是與它本身所具有的優(yōu)點(diǎn)分不開(kāi)的。這些優(yōu)點(diǎn)概括起來(lái)是：亮度高、工作電壓低、功耗小、大型化、壽命長(cháng)、耐沖擊和性能穩定。LED的發(fā)展前景極為廣闊，正朝著(zhù)更高亮度、更高耐氣候性、更高的發(fā)光密度、更高的發(fā)光均勻性，可靠性、全色化方向發(fā)展。LED顯示屏廣泛應用在體育場(chǎng)館、商業(yè)應用、銀行、證?、邮?、碼頭、商場(chǎng)、車(chē)站、郵政、電訊、機關(guān)、監控、學(xué)校、餐廳、酒店、娛樂(lè )、等不同戶(hù)外場(chǎng)所的廣告宣傳。

LED顯示屏發(fā)展已經(jīng)有20多年歷史，與其他LCD拼接、工程投影機等設備一樣，LED顯示屏從誕生開(kāi)始，就伴隨著(zhù)技術(shù)進(jìn)步和升級換代，從起步時(shí)顯示文字內容為主，到之后的圖文并茂及動(dòng)態(tài)視頻。目前廣泛應用在戶(hù)外廣告、舞臺表演、展覽展示、球場(chǎng)賽事、會(huì )議中心和指揮中心等領(lǐng)域。

本文結合LED屏品牌廠(chǎng)家10多年的工程經(jīng)驗，全面地分析了室內LED顯示屏的設計、安裝、測試及維護等注意事項。這里以多功能禮堂舞臺演出實(shí)例作詳細說(shuō)明：

一、項目基本情況

1.1 項目建設需求

多功能禮堂舞臺演出顯示系統分為主屏、輔屏和會(huì )標屏3個(gè)部分。主屏建設需求是建設大幅面、高清晰度的大屏幕，顯示多個(gè)計算機數字信號、本會(huì )場(chǎng)攝像、遠程監視或異地會(huì )商的視頻信號等，實(shí)現攝像、講解資料、視頻會(huì )議等畫(huà)面的顯示，同時(shí)還要兼顧舞臺演出背景;輔屏建設需求是顯示一個(gè)標清信號，實(shí)現會(huì )議輔助內容的顯示，也可用作演出時(shí)的報幕、字幕等;會(huì )標屏則需要顯示多種顏色的文字。

禮堂舞臺部分寬20m、深17m、高18m， 臺口處寬15m、高7.8m ;舞臺上方安裝燈光、幕布等舞臺機械裝置;臺口兩側耳墻距地面3m，寬8m，高6m。設計主屏顯示面積至少72O(12m×6m)，屏前是主席臺會(huì )議和演出的場(chǎng)所，屏后則是演員通過(guò)和維護空間，第一排觀(guān)眾距屏至少17m ;輔屏在耳墻上，顯示面積至少12O(4m×3m)。

二、影響室內LED顯示屏質(zhì)量的關(guān)鍵技術(shù)

室內LED顯示屏在設計屏體時(shí)，要考慮顯示內容、場(chǎng)地空間條件、顯示屏尺寸或像素大三個(gè)重要因素，同時(shí)要確保生產(chǎn)工藝、技術(shù)指標等適合室內實(shí)際應用需求，再結合項目造價(jià)，進(jìn)行合理設計。

2.1 LED顯示屏點(diǎn)間距

視覺(jué)顆粒感主要來(lái)自人眼有一定的分辨力，在一定距離觀(guān)看兩點(diǎn)，當兩點(diǎn)緊密到一定程度時(shí)，人眼將無(wú)法分辨。近兩年隨著(zhù)LED顯示屏制造技術(shù)的提高，小間距LED顯示屏體分辨率不斷提升，室內顯示設計已從初始選擇最小的點(diǎn)距規格方案提升到選擇合適的點(diǎn)距規格方案。

表1 將比較典型的聯(lián)誠發(fā)室內LED顯示屏規格對比，P1.6、P2、P2.5、P3、P4、P5為室內常用規格，“P3”表示像素點(diǎn)距為3mm，最小視距為人眼分辨不出像素點(diǎn)顆粒的距離，但這個(gè)距離長(cháng)時(shí)間觀(guān)看會(huì )損傷視力，最佳視距為觀(guān)看屏幕舒適的距離，也是最清晰的距離。

通過(guò)表1 對比可以看出，P1.6、P2、P2.5 三種規格，最小視距和最佳視距非常接近大平板電視的觀(guān)看要求，整屏分辨率高達4800×2400，在同樣的屏體上可以顯示更清晰的畫(huà)面，但在12m寬的屏幕上顯示一個(gè)高清信號需要放大3～4倍，顯示兩個(gè)高清畫(huà)面需要放大2 倍;同時(shí)高分辨率顯示需要高性能的圖像處理設備，系統的整體造價(jià)會(huì )很高。P4、P5 兩種規格在12m 寬的屏幕上無(wú)法同時(shí)顯示兩個(gè)高清畫(huà)面，不能滿(mǎn)足高清會(huì )議電視畫(huà)面顯示要求。P3 即可滿(mǎn)足同時(shí)顯示兩個(gè)高清畫(huà)面的要求。根據顯示屏幕大小，最終選定性?xún)r(jià)比較高的P3 作為項目主屏和輔屏的顯示點(diǎn)距，選定P4 作為會(huì )標屏的顯示點(diǎn)距。

2.2 封裝技術(shù)

決定LED品質(zhì)的一個(gè)因素是主要材料，如芯片、支架、膠水(環(huán)氧樹(shù)脂)、金線(xiàn)等，另一個(gè)因素是封裝工藝。像素封裝技術(shù)關(guān)系到整個(gè)顯示屏的色彩飽和度、視角等顯示效果和生產(chǎn)成本、質(zhì)量穩定性等，是選擇LED顯示屏非常關(guān)鍵的指標之一。

室內LED主流封裝技術(shù)主要有表貼SMD、直插DIP模式。表貼是指將封裝好的發(fā)光管粘貼在電路板上，然后進(jìn)行集成電路焊接工藝加工成屏體。它散熱性好、色彩均勻，整個(gè)顯示屏可以正面維護，大大減小了維護成本和難度;同時(shí)，在封裝過(guò)程中進(jìn)行填充金屬化合物，混色效果好，發(fā)光柔和，更適合室內應用。直插模塊是將發(fā)光管封裝成長(cháng)方型，然后把紅綠蘭3 個(gè)管拼在一起做成一個(gè)像素點(diǎn)模塊，直接安插在PCB 板上焊接，工藝相對簡(jiǎn)單、成本較低，壞點(diǎn)率高，主要應用于戶(hù)外顯示屏。

室內屏的像素結構有表貼三合一和表貼三拼一(分離表貼)兩種方式。

三合一表貼是指紅綠藍3 個(gè)發(fā)光點(diǎn)封裝合成在同一個(gè)發(fā)光管里面，近看是一點(diǎn)， 放大看就是3 個(gè)發(fā)光點(diǎn)分離的一條線(xiàn)，對生產(chǎn)環(huán)節的材料和工藝要求高，主要用于小間距、高密度高端LED顯示屏的生產(chǎn)。

三并一表貼(分離表貼)是指紅綠藍3 個(gè)發(fā)光點(diǎn)是分開(kāi)封裝的，封裝后排列成1 個(gè)像素點(diǎn)，再封裝1 個(gè)面罩保護，能防塵、防劃，并能保護發(fā)光晶片。三并一是分離表貼，三點(diǎn)分開(kāi)供電，功耗小，且可實(shí)現單燈維修，成本較低。

一般來(lái)說(shuō)，為了提升室內屏的顯示效果，選用表貼三合一、黑燈技術(shù)、金線(xiàn)封裝等。

2.3 LED控制電路的設計

LED控制部分是決定顯示效果的核心部分，控制電路內置高性能單片微型控制芯片?？刂破魍ㄟ^(guò)內部控制程序向LED驅動(dòng)芯片發(fā)送控制信號和數據，LED驅動(dòng)芯片接收到信號后，產(chǎn)生相應的動(dòng)作，從而對每一路紅、綠、藍LED發(fā)光芯片實(shí)現單獨控制。

2.3.1 驅動(dòng)系統

LED驅動(dòng)部分的功能是接收顏色數據并驅動(dòng)LED顯示屏按該數據所表示的亮度值顯示，通常有恒流、穩壓、恒壓-恒流3 種方式。

恒流驅動(dòng)電路輸出的電流是恒定的，輸出的直流電壓隨負載阻值變化而變化，整個(gè)電路不怕負載短路，但嚴禁負載完全開(kāi)路。穩壓電路輸出固定電壓，輸出電流隨負載的增減而變化，整個(gè)電路不怕負載開(kāi)路，但嚴禁負載完全短路。先恒壓再恒流方式是最理想的驅動(dòng)電路，既要檢測LED電流，又要控制LED電壓，有利于提高LED壽命，減小功耗，一般用于高檔LED產(chǎn)品中。

2.3.2 控制系統

LED的顯示效果取決于通過(guò)它的電流與電壓的大小、時(shí)間等，所以控制系統主要是控制LED的電源輸出。目前，PWM(脈沖調制)控制方式設計的LED電源，轉換效率高達80%～90%，且輸出電壓或電流十分穩定，屬于高可靠性電源。

PWM可以控制LED開(kāi)和關(guān)的時(shí)間比例，通過(guò)將時(shí)間比例劃分為若干等級，使LED顯示出相應數量的灰度等級(灰階)。三基色的灰度等級的乘積，是顯示屏理論上可以再現的顏色數量，一般為256 級，顏色數達到16.7M，就可顯示24位真彩色的信息。

一般PWM 的頻率大于100Hz，否則在觀(guān)看時(shí)會(huì )有顯示的閃爍和掃描線(xiàn)?，F在灰度等級為10 位的大屏，刷新頻率大多為800 ～ 1000 Hz， LED行業(yè)最高刷新率為6800Hz。在攝像機正常取景及轉動(dòng)下，LED屏體畫(huà)面顯示穩定無(wú)閃爍，而且在最高刷新率下灰階過(guò)度順滑，沒(méi)有串色。

2.3.3 驅動(dòng)系統與控制系統的組合

LED作為電路的負載，與驅動(dòng)系統、控制系統的電路連接關(guān)系到整個(gè)顯示屏的穩定性，一般有串聯(lián)、并聯(lián)、混聯(lián)3種方式。串聯(lián)方式是可靠性不高的連接方式，常用于低端產(chǎn)品中，在穩壓驅動(dòng)電路中，當某一顆LED發(fā)生短路時(shí)，分配在其他LED的電壓將升高，容易造成更多損壞。

并聯(lián)方式適用于電源電壓較低的產(chǎn)品，恒流驅動(dòng)電路中，當某一顆LED斷開(kāi)時(shí)，分配在其他LED的電流將增大，容易損壞電路上所有的LED。

目前為了提高產(chǎn)品的可靠性，一般采用混聯(lián)方式，串、并聯(lián)的LED數量平均分配，分組并聯(lián)，再將每組串聯(lián)在一起，這樣分配在一串LED上的電壓相同，通過(guò)每一顆LED的電流也基本相同，LED亮度一致，同時(shí)最好在恒流輸出中增加LED溫度負反饋，防止LED溫度過(guò)高。