先進(jìn)的LED驅(qū)動(dòng)器提升全彩視頻顯示屏的質(zhì)量

前言

        我們?cè)谌粘Ｉ钪须S處可見(jiàn)的LED發(fā)光二極管不再是什么新鮮科技，LED在多個(gè)細(xì)分市場(chǎng)上的強(qiáng)勁的增長(zhǎng)勢(shì)頭已是既定事實(shí)。

        廣告顯示屏或數(shù)字標(biāo)牌是LED應(yīng)用最廣泛的領(lǐng)域之一。從單色顯示屏到全彩顯示屏，LED解決方案被廣泛用于市場(chǎng)需求和復(fù)雜程度不同的路標(biāo)指示牌、廣告顯示屏、戶內(nèi)外視頻顯示屏等。本文主要論述全彩LED視頻顯示屏的主要技術(shù)要求，以及如何實(shí)現(xiàn)所需的性能。

全彩LED視頻顯示屏

        全彩LED視頻顯示屏是能夠以數(shù)百萬(wàn)種顏色顯示影像和動(dòng)畫(huà)的顯示屏。LED顯示屏應(yīng)用場(chǎng)景包括體育場(chǎng)、建筑外觀、購(gòu)物中心、電視演播室。

        大型LED顯示屏被用于播放廣告和資訊，重播體育賽事或音樂(lè)會(huì)。圖1 是LED顯示屏結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖。

 
圖1：LED全彩視頻顯示屏簡(jiǎn)圖

        不同類(lèi)型的視頻信源提供的視頻輸入信號(hào)經(jīng)過(guò)處理后被送入LED顯示屏。 

        整個(gè)顯示屏通常由若干個(gè)正方形或矩形的點(diǎn)陣組成，每個(gè)點(diǎn)陣又由若干個(gè)像素組成。每個(gè)像素由RGB (紅、綠、藍(lán))LED燈管組成，通過(guò)混合這些LED的燈光顏色，就可產(chǎn)生所需的像素信息。LED驅(qū)動(dòng)器相當(dāng)于被處理后的視頻數(shù)據(jù)與RGB LED發(fā)出的彩色燈光之間的接口（圖像就是由這些彩色光線構(gòu)成的）。

        從大型LED視頻顯示屏的目標(biāo)應(yīng)用考慮，我們很容易意識(shí)到畫(huà)質(zhì)所扮演的重要作用。 

這個(gè)概念包含幾方面的內(nèi)容:

• 原始圖像的信號(hào)質(zhì)量以及數(shù)據(jù)處理能力是取得良好畫(huà)質(zhì)的前提條件。
• 顯示屏的大小、分辨率高低、像素間距和LED選擇是決定人眼感受到的畫(huà)質(zhì)的關(guān)鍵參數(shù)。
• 需要選擇一個(gè)適合的LED驅(qū)動(dòng)器，能夠把處理后的圖像數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成所需的彩色和動(dòng)畫(huà)效果。

        鑒于本文的目的是描述LED顯示屏的LED驅(qū)動(dòng)器解決方案，我們將在以下的章節(jié)重點(diǎn)介紹上面提到三方面內(nèi)容的最后一點(diǎn)。

LED顯示屏對(duì)LED驅(qū)動(dòng)器的要求

        在彩色和動(dòng)畫(huà)方面，為取得優(yōu)異的畫(huà)質(zhì)，需要整合多種不同的功能：高幀率、高刷新率、顏色還原精度等。不過(guò)，顯示屏的質(zhì)量不僅指圖像本身，還指解決方案的整體質(zhì)量，例如，抗干擾性和可靠性。因此，所有的彩色LED顯示屏需要選擇技術(shù)精密的LED驅(qū)動(dòng)器：

• 良好的顯色性取決于每個(gè)RGB（以及每個(gè)顏色）的有效亮度:有效亮度越高，顯示的顏色越豐富。合理而精細(xì)地控制亮度需要利用PWM調(diào)光技術(shù)控制大量的亮度。
• 高幀率和高刷新率需要高速率地處理大量數(shù)據(jù)。LED驅(qū)動(dòng)器可利用高頻串口和靈活的數(shù)據(jù)格式管理功能滿足這些要求。
• 一支或多支LED燈管失效會(huì)影響像素顏色的精度，危及影像的整體視覺(jué)效果，影響系統(tǒng)的畫(huà)質(zhì)。讓顯示屏保持理想視覺(jué)效果需要一個(gè)可靠的LED失效條件檢測(cè)方法。
 
全彩視頻顯示屏LED驅(qū)動(dòng)器解決方案         

        意法半導(dǎo)體擁有各種顯示器和數(shù)字標(biāo)牌LED驅(qū)動(dòng)器產(chǎn)品，其中STP1612PW05 (見(jiàn)圖 2)是意法半導(dǎo)體為全彩LED視頻顯示屏專(zhuān)門(mén)研制的LED驅(qū)動(dòng)器。

        這款產(chǎn)品是一個(gè)16通道LED驅(qū)動(dòng)器，內(nèi)置一個(gè)高頻串行數(shù)據(jù)接口。每路通道的最大輸出電流為60mA，可以通過(guò)一個(gè)外部電阻器調(diào)節(jié)輸出電流，使用一個(gè)8位增益寄存器可以精確調(diào)節(jié)256級(jí)灰度。

        在更低的電流下提高電流精度(通道之間典型值 ± 1.5% )符合LED技術(shù)的發(fā)光效率改進(jìn)要求。實(shí)際上，高能效LED的問(wèn)世讓顯示屏制造商能夠使用更低的電流LED驅(qū)動(dòng)器取得相同的亮度。

        該產(chǎn)品為每路輸出通道配備了獨(dú)立的可調(diào)PWM亮度控制功能。眾所周知的PWM調(diào)光功能在LED色彩保護(hù)方面的優(yōu)勢(shì)以及4096（12位）或65536（16位）級(jí)可調(diào)亮度，最終可使色差和畫(huà)質(zhì)得到明顯改進(jìn)。

        此外，為進(jìn)一步提升調(diào)光控制功能，該產(chǎn)品還采用了Scrambled PWM模式。PWM總周期基本上覆蓋了很多刷新周期，效果就是像提高調(diào)光頻率而保持調(diào)光分辨率不變，從而降低畫(huà)面閃動(dòng)。

        STP1612PW05內(nèi)置串行接口符合顯示屏的高速數(shù)據(jù)速率和數(shù)據(jù)格式靈活性要求：數(shù)據(jù)發(fā)送時(shí)鐘頻率可高達(dá)30MHz，采用16x16位格式（若亮度選擇4096級(jí)，數(shù)據(jù)格式為6x12位)或壓縮度更高的256位格式。正如前文提到的，一個(gè)抗干擾性強(qiáng)且可靠的LED驅(qū)動(dòng)器可大幅提升系統(tǒng)的總體質(zhì)量。

        當(dāng)發(fā)現(xiàn)失效的LED燈管（開(kāi)路或短路）時(shí)，STP1612PW05 會(huì)把檢測(cè)結(jié)果通過(guò)串行接口送到微控制器，從而避免相關(guān)像素的顏色變化或關(guān)閉，保護(hù)圖像的一致性。

 
圖2 ：STP1612PW05結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

        在一幀視頻圖像開(kāi)始時(shí)所有的LED燈管同時(shí)導(dǎo)通，這會(huì)產(chǎn)生上升斜率很大的涌流，這意味著需要很大的輸入電容，寄生通道會(huì)產(chǎn)生振蕩，系統(tǒng)產(chǎn)生噪聲。把四路連續(xù)輸出組成一組（第1組OUT0、OUT1、OUT2和OUT3；第2組從OUT4到OUT7；按照這個(gè)順序排列下去)，每組之間連續(xù)延時(shí)40ns，使輸出通道的導(dǎo)通時(shí)間錯(cuò)開(kāi)，這樣可以大幅降低涌流。  

        因?yàn)槿魏卧颍ň€路斷開(kāi)）導(dǎo)致PWCLK時(shí)鐘信號(hào)不存在（PWM計(jì)數(shù)器時(shí)鐘信號(hào)，用于進(jìn)行PWM調(diào)光控制），這會(huì)讓顯示屏上的所有LED無(wú)限期地導(dǎo)通。

        除影響圖像正確顯示外，這種意外事件還會(huì)燒毀或損壞LED燈管。STP1612PW05內(nèi)置可以激活PWM時(shí)鐘超時(shí)斷開(kāi)的保護(hù)功能：當(dāng)PWCLK信號(hào)消失1秒以上時(shí)，信號(hào)發(fā)生器將被強(qiáng)制關(guān)閉。

應(yīng)用示例

        實(shí)現(xiàn)目標(biāo)亮度的LED正向電壓與可設(shè)置的電流隨著LED顏色不同而變化：在紅光、綠光和藍(lán)光三種顏色LED中，紅光LED的正向電壓最低，藍(lán)光LED的驅(qū)動(dòng)電流最低。因此，建議每種燈光顏色使用不同的驅(qū)動(dòng)器。圖3 描述了一個(gè)采用STP1612PW05實(shí)現(xiàn)的應(yīng)用示例。

 
圖 3：通過(guò)STP1612PW05驅(qū)動(dòng)一個(gè)全彩LED顯示屏點(diǎn)陣的設(shè)計(jì)簡(jiǎn)圖

        每個(gè)顯示屏點(diǎn)陣是由16個(gè)像素組成，每個(gè)像素是由4支彩色LED燈管（1支紅的、1支藍(lán)的、2支綠的）組成。

        16支相同顏色的LED由一顆STP1612PW05驅(qū)動(dòng)。 LED電源電壓(VLED)的選擇是在幾個(gè)通常是對(duì)立的需求之間的一種平衡考量。 VLED 電壓應(yīng)該足夠高，使LED能夠保持正確的通態(tài)，但是應(yīng)最大限度地降低LED驅(qū)動(dòng)器的電流發(fā)生器的電壓降，否則會(huì)引起無(wú)用的功耗，并導(dǎo)致芯片和系統(tǒng)過(guò)熱。顯然，紅光 、綠光和藍(lán)光共用一個(gè)VLED電壓并不是最佳的解決方案。理想的解決方案是優(yōu)化LED電源電壓，把LED燈管的電壓軌分開(kāi)可以取得理想的效果。這需要合理地驅(qū)動(dòng)所有的LED燈管，同時(shí)節(jié)省電能。

結(jié)論

        全彩LED視頻顯示屏的高質(zhì)量要求給設(shè)計(jì)人員選擇適合的LED驅(qū)動(dòng)器選帶來(lái)新的挑戰(zhàn)。卓越的顏色還原性能和視頻失真最小化是這些應(yīng)用的基本要求。意法半導(dǎo)體專(zhuān)門(mén)為全彩視頻顯示屏定制的LED驅(qū)動(dòng)器是一個(gè)高質(zhì)量的解決方案，能夠滿足全彩視頻顯示屏的技術(shù)要求。

參考文獻(xiàn)

[1]  STP1612PW05 Datasheet, STMicroelectronics
[2] UM0882, User Manual STEVAL-ILL028V1 LED Dimmer board, STMicroelectronics