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(gè)目前顯示屏行業(yè)標準里沒(méi)有規定，而實(shí)際生產(chǎn)工程中又必須直接面對的一個(gè)技術(shù)問(wèn)題。一方面，部分led顯示屏廠(chǎng)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低成本，采用一些技術(shù)參數達不到設計要求的部件。這種做事方式勢必導致一種相反的結果，實(shí)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顯示屏根據實(shí)際的顯示環(huán)境亮度需要規定一個(gè)比較恰當而合理的低灰信號起輝值規范是非常必要的。這既符合整個(gè)LED顯示屏產(chǎn)業(yè)鏈良性協(xié)作整合，也符合絕大多數消費者地實(shí)際利益。

自上世紀90年代以來(lái)，LED顯示屏逐漸在生產(chǎn)生活中大量使用。伴隨著(zhù)LED顯示屏的高速發(fā)展，在顯示屏行業(yè)內也涌現出一批優(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，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(zhù)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(gè)方面人們不斷改進(jìn)技術(shù)，提高性能，以使LED屏獲得生動(dòng)逼真的顯示效果。實(shí)際工程中，LED顯示屏的各種參數，如灰度和場(chǎng)頻等，雖然各個(gè)公司依照不同的理解而采用的數值有所不同，但事實(shí)上無(wú)論是單色屏、雙色屏、灰度屏，還是全彩屏，LED顯示屏各種設計參數的選取并不是隨意的，而是有許多限制條件的，在設計中反復的選取參數還是有某些設計原則需要遵守的。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，但大量應用的同時(shí)也暴露出LED顯示技術(shù)若干缺陷，總體上來(lái)說(shuō)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)參數進(jìn)行合理規范，但是涉及到顯示屏發(fā)光的二極管LED、電源系統、控制系統和結構組件等顯示屏部件產(chǎn)品方面，還需要進(jìn)行更深入的標準化研究和相關(guān)規范文件的產(chǎn)生。

用于室外或半室外的LED顯示屏的觀(guān)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(shí)際顯示使用環(huán)境條件相結合，通過(guò)對系統，電源，恒流驅動(dòng)，LED開(kāi)啟參數等驅動(dòng)條件的研究，盡快制定出更加合理的芯片，系統，電源和LED燈管的行業(yè)檢驗標準，是整個(gè)行業(yè)所期盼的。在LED顯示屏廠(chǎng)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顯示屏的模塊驅動(dòng)電路，一般包括靜態(tài)和動(dòng)態(tài)驅動(dòng)兩種電路拓撲，如圖一和圖二。圖像（視頻）信號通過(guò)控制器將控制信號進(jìn)行串行編碼后，串行圖像數據（OE,LAT,SDI,SCLK及SDO）通過(guò)恒流IC級聯(lián)的方式進(jìn)行傳輸分配，恒流IC將串行圖像信號進(jìn)行串并轉換后去驅動(dòng)LED點(diǎn)陣中的每位LED燈管；LED燈管正端供電電壓正常條件下,恒流驅動(dòng)IC的輸出通道在有效圖像位驅動(dòng)信號的作用下進(jìn)行開(kāi)啟和關(guān)斷，從而達到驅動(dòng)LED點(diǎn)亮和熄滅的功能；恒流驅動(dòng)IC的電流通過(guò)外置電阻REF來(lái)調節，通過(guò)改變REF的值來(lái)實(shí)現電流大小的調整。簡(jiǎn)單地從圖一和圖二的電路來(lái)看，影響LED點(diǎn)亮的直接因素包括：圖像（視頻）的位驅動(dòng)信號，LED燈管，點(diǎn)陣塊的供電，恒流IC的信號驅動(dòng)特性，LED點(diǎn)陣模塊的電路設計等因素。本文就從這幾個(gè)方面的技術(shù)特點(diǎn)闡述LED顯示屏低灰度起輝條件。同樣條件下，由于動(dòng)態(tài)和靜態(tài)掃描的電路相比，動(dòng)態(tài)電路要求的掃描最小時(shí)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(dòng)態(tài)驅動(dòng)電路為例來(lái)簡(jiǎn)單討論。

圖一，LED顯示屏靜態(tài)恒流驅動(dòng)電路圖

圖二LED顯示屏動(dòng)態(tài)1/4掃恒流驅動(dòng)電路圖

一、LED圖像（視頻）系統控制系統
LED顯示屏的實(shí)際顯示效果直接影響了人們對其的接受程度，在這一點(diǎn)上LED顯示屏與其它顯示屏如CRT和液晶顯示屏并無(wú)區別。人們根據對傳統顯示屏的印象往往很容易察覺(jué)出顯示效果是粗躁還是細膩，自然還是生硬。LED顯示屏的實(shí)際效果已成為現階段各生產(chǎn)廠(chǎng)商關(guān)心的重要方面?？刂葡到y的掃描方法對顯示效果的影響，闡述了掃描參數與亮度，對比的，閃爍和顏色校正之間的關(guān)系。

常用灰度實(shí)現方法是占空比方式。這一點(diǎn)的依據來(lái)源于HVS(人眼視覺(jué)系統)的特性：人眼視覺(jué)對于光的刺激從感覺(jué)上會(huì )有一段殘留時(shí)間，在該段時(shí)間內，若有別的光刺激到達視野內的其他場(chǎng)所，從感覺(jué)上會(huì )產(chǎn)生與前面的光線(xiàn)同時(shí)達到的效果，假如后續的光刺激到達同樣的場(chǎng)所，其感覺(jué)的強度會(huì )被疊加（被積分）。將LED燈管恒流驅動(dòng)，如果在上述時(shí)間間隔內，以寬度不同的一系列脈沖控制LED發(fā)光，人眼感覺(jué)到的光強就是這一系列的光刺激強度的和。LED所具有的快速響應特性可以使脈沖頻率高達數十兆赫茲。因此，控制LED點(diǎn)亮所占時(shí)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的脈沖去驅動(dòng)LED,與用25mA的直流驅動(dòng)相比其感受的亮度是相同的。
常用灰度實(shí)現方式采用占空比方式，比方說(shuō)實(shí)現28即256級灰度的方法如下：各個(gè)段的時(shí)間長(cháng)度按照1：2：4：8：16：32：64：128來(lái)安排。要顯示某級灰度的數據，只需要在相應的時(shí)間段內點(diǎn)亮LED，如22級灰度即可在第2，3，5時(shí)間段點(diǎn)亮LED，連續掃描后即可得到穩定的帶灰度的圖象。對于4掃的控制電路，將每楨時(shí)間分為4段，每段時(shí)間內掃描屏體的一線(xiàn)。每段時(shí)間內再將LED點(diǎn)亮時(shí)間按照1：2：4：8：16：32：64：128來(lái)安排，在每線(xiàn)過(guò)程中一次將所有灰度掃完再掃下一線(xiàn)。

假如楨頻是F，一個(gè)n位二進(jìn)制數D=[D0,D1,…Dn-1,]表示顯示灰度，那么對同一個(gè)像素點(diǎn)可以通過(guò)n場(chǎng)分別以D0,D1,…Dn-1,對應的占空比D0/20,D1/21,…Dn-1/2n-1循環(huán)顯示（如圖三所示），那么最小的時(shí)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(gè)控制器廠(chǎng)家的編碼略有不同，但基本上遵行上述規律。

為了滿(mǎn)足顯示的效果，4段掃完的總時(shí)間不能大于18ms。這就要求最小灰度級的導通時(shí)間Ton，必須足夠小。隨著(zhù)LED顯示屏的灰度級數設置得越高，Ton就變得更小了。最新的高速數字電路的處理速度完全能夠滿(mǎn)足16BIT灰度級數的信號編碼處理能力。但是目前決大多數的模塊信號傳輸帶寬，恒流驅動(dòng)芯片傳輸帶寬卻是滿(mǎn)足不了這么快的信號速度。傳統恒流芯片的帶寬和傳統LED模塊信號傳輸路徑帶寬已經(jīng)成為L(cháng)ED顯示屏高灰度顯示的技術(shù)瓶頸。當然對于實(shí)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的信號驅動(dòng)特性
如圖三，每一個(gè)LED單管都是獨立可控的，當開(kāi)關(guān)閉合時(shí)，電流從行電源，經(jīng)LED，開(kāi)關(guān)到地，從而點(diǎn)亮；開(kāi)關(guān)斷開(kāi)時(shí)，LED熄滅。LED陣列就是由相應的開(kāi)關(guān)陣列（控制器＋恒流芯片）控制，控制信號由LED圖像（視頻）控制系統邏輯產(chǎn)生?？刂七壿嬕罁Y構定義信號的意義，獨立控制各個(gè)LED。開(kāi)關(guān)陣列可以采用各種形式，一般用電子開(kāi)關(guān)（恒流驅動(dòng)IC），甚至可以是控制邏輯中的一部分。串行邏輯不但接口簡(jiǎn)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。驅動(dòng)模塊的恒流芯片采用串行方式，內部設置串行、并行兩組寄存器，通過(guò)時(shí)鐘SCLK將數據串行輸入模塊，通過(guò)鎖存信號LAT將串行數據存入并行寄存器，同時(shí)通過(guò)OE使能信號驅動(dòng)更新屏體顯示。

傳統控制系統中，如圖四所示的OE信號是一個(gè)受灰度調制的脈寬信號，當低灰度信號時(shí)，這個(gè)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(gè)脈寬寬度將更窄。而這個(gè)窄信號的驅動(dòng)將使開(kāi)啟恒流芯片的輸出通道的時(shí)間也是非常窄。在高灰度級編碼情況之下，低灰度信號驅動(dòng)的直接效果是將不足以驅動(dòng)LED點(diǎn)亮。

尤其是恒流芯片本身的開(kāi)啟能力（響應時(shí)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(kāi)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?。ㄊ苄酒旧淼捻憫芰τ绊懀?，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(kāi)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(shí)，反向電流恢復變化的曲線(xiàn)示意圖；（3）是正向和電壓向反向電壓過(guò)渡的曲線(xiàn)示意圖。

由于二極管內部的勢壘電容的擴散電容的作用下，反向電流上升率與結溫，及開(kāi)關(guān)前的正向電流等因素有關(guān)。反向恢復時(shí)間trr是延遲時(shí)間td與下降時(shí)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(kāi)關(guān)速度。同樣正向恢復時(shí)間也限制了正向電流上升速率和開(kāi)關(guān)速度。

LED正常發(fā)光的條件是，加載在PN結上的正向電壓值達到一定的VF開(kāi)啟門(mén)檻值時(shí)（如圖六），LED開(kāi)始輻射發(fā)光，并在一定正向電壓電流安全范圍內發(fā)光強度與正向電流成近似正比例關(guān)系。但是實(shí)際應用時(shí)，一定不要讓加載在LED上的脈沖電流或脈沖電壓超過(guò)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的反應速度在100MHZ以上，完全可以滿(mǎn)足高灰度級低灰信號驅動(dòng)時(shí)的正常顯示功能。但是如果外圍電路的分布參數使得，LED在高灰度級的低灰信號驅動(dòng)時(shí)的驅動(dòng)壓降不能達到正常開(kāi)啟的電壓值，那么LED將不能正常點(diǎn)亮。

四、LED點(diǎn)陣模塊的供電

如圖六所示，4掃的點(diǎn)陣模塊的行電源通過(guò)4個(gè)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(kāi)啟值時(shí)，LED將點(diǎn)亮。

行信號掃描結束后，該行電壓總線(xiàn)上任將保持一個(gè)電壓，這個(gè)電壓如果保持得足夠高，將實(shí)現動(dòng)態(tài)掃描得拖尾顯示的故障現象。相反，對于某些編碼的控制系統，如果這個(gè)行電壓在高灰度級的低灰信號驅動(dòng)時(shí)行電壓總線(xiàn)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(kāi)啟顯示。

五、LED點(diǎn)陣模塊的電路設計等因素

LED顯示模塊電路的設計可以充分考慮通過(guò)增加外圍電路，來(lái)改善信號傳輸的帶寬，通過(guò)增加旁路電容來(lái)消除電壓尖峰，在供電支路上增加磁珠來(lái)改善電流尖峰，而從達到在實(shí)際使用中合理保護免受LED損傷的目的。

在實(shí)際應用中，我們發(fā)現很多情況之下，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)在低灰信號驅動(dòng)時(shí)，不能下降到正常的電壓值，從而導致了LED的正向壓降達不到正常的開(kāi)啟值，所以不能正常起輝。我們在電路設計中可以采用一些輔助電路，來(lái)幫助輸出通道進(jìn)行信號驅動(dòng)前的充放電的動(dòng)作，就可以解決低灰信號起輝的問(wèn)題。

針對低灰信號起輝的問(wèn)題筆者所任職的柏獅公司已經(jīng)通過(guò)實(shí)驗驗證，取得了大量的有用實(shí)驗數據。我們愿意將這些研究成果與LED顯示行業(yè)的同行進(jìn)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(mǎn)足高灰度級設置時(shí)的低灰信號起輝的正常顯示，是需要控制系統，恒流驅動(dòng)芯片，LED燈管，模塊電路等部分的一起協(xié)同配合的結果；采用最好的材料做最好的顯示屏是我們對客戶(hù)的負責的基本態(tài)度，與此同時(shí)，也應該從實(shí)際使用的角度來(lái)合理對待高灰度級設定時(shí)的低灰信號驅動(dòng)的起輝顯示的問(wèn)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(zhù)某種潛在的質(zhì)量風(fēng)險？……