如何設(shè)計(jì)LED標(biāo)牌和LED矩陣顯示屏

　　引言

　　基于LED的標(biāo)牌和矩陣顯示屏為不斷增長的室內(nèi)外應(yīng)用帶來了更多的功能以及絢麗奪目的視覺效果。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)量顯示屏的靜止畫面，還是傳統(tǒng)的打印或繪制廣告牌。本教程將詳細(xì)介紹LED顯示屏系統(tǒng)的基本技術(shù)原理，以及使用分立LED燈泡陣列設(shè)計(jì)它們需要考慮的設(shè)計(jì)問題。

　　LED 驅(qū)動(dòng)基礎(chǔ)

　　首先，我們要對(duì)比不同的LED驅(qū)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)開始導(dǎo)通。導(dǎo)通時(shí)其正向電流通常會(huì)發(fā)光。根據(jù)這個(gè)基本知識(shí)可以得出圖1a中的第一種選項(xiàng)，不過這樣行不通。因?yàn)?LED 電流是其電壓偏置的指數(shù)函數(shù)(公式1)，LED 燈的光強(qiáng)度對(duì)該電壓非常敏感。大多數(shù)情況下，大電流條件通常會(huì)將原本長壽命的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(shù)，取決于LED產(chǎn)品本身，與VT是熱電壓無關(guān)。假設(shè)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(biāo)LED電流值在其偏置電流出現(xiàn)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(xiàn)10至20倍的差異。

　　圖 1.對(duì)比三種LED驅(qū)動(dòng)電路

　　支持流限電阻器的電壓源

　　現(xiàn)在我們來看看圖1b。添加一個(gè)限流電阻器RLIMIT來保護(hù)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(yīng)用領(lǐng)域，這種方法在控制LED光強(qiáng)度方面仍然不夠好。LED曲線和RLIMIT產(chǎn)生的負(fù)載曲線可決定其LED電流值。如紅色或藍(lán)色標(biāo)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(qū)動(dòng)器電路可直接將LED電流調(diào)節(jié)為目標(biāo)值。無論LED燈在制造過程中會(huì)產(chǎn)生多少VF變化，LED都會(huì)傳導(dǎo)特定的電流值。LED燈的光強(qiáng)度與通過 PN 結(jié)點(diǎn)的電荷緊密相關(guān)，因此該恒流驅(qū)動(dòng)器是從LED燈獲得統(tǒng)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(duì)。這也是選擇恒流法的另一個(gè)優(yōu)勢(shì)。圖2是LED驅(qū)動(dòng)器的基本輸出級(jí)結(jié)構(gòu)。市場(chǎng)上很多LED驅(qū)動(dòng)器IC都有參考電流設(shè)置端 IREF,該參考電流是鏡像到其輸出端的恒流。

　　圖 2. LED 驅(qū)動(dòng)器IC的基本輸出配置

　　圖2是該討論的結(jié)果，即LED驅(qū)動(dòng)器的基本輸出電路配置。

　　色彩驅(qū)動(dòng)

　　到目前為止，我們已經(jīng)能夠確定如何驅(qū)動(dòng)單個(gè)LED燈了。下一步是為視頻顯示系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)全色彩光輸出。通過組合光的不同深淺紅綠藍(lán)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(jì)算機(jī)(PC)上的色彩選擇工具。

　　數(shù)字或模擬的灰階控制

　　PC 操作系統(tǒng)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(duì)于LED顯示系統(tǒng)而言，也需要采用相同概念的色階色彩強(qiáng)度控制，以便在LED驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)中實(shí)現(xiàn)色階控制或灰階控制。

　　首先應(yīng)決定使用數(shù)字控制還是模擬控制。前面已經(jīng)介紹過，經(jīng)過 PN 結(jié)點(diǎn)的總電荷數(shù)可決定光強(qiáng)度，因此數(shù)字和模擬方法均可控制光強(qiáng)度。圖3是數(shù)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(biāo)。

　　圖 3.數(shù)字和模擬的50%強(qiáng)度控制

　　LED 電流與色彩變化

　　這時(shí)候，需要考慮電流變化對(duì)LED光輸出波長值的影響。改變波長就意味著改變?nèi)搜劭吹降纳?。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(shè)計(jì)的LED燈產(chǎn)品在最大額定電流下都具備510nm的波長。在圖4中，隨著LED電流的升高，波長可達(dá)到510nm。獲得綠色的最佳方法是盡量使燈的驅(qū)動(dòng)電流接近最大額定值。這也就說明了為什么使用數(shù)字控制比使用模擬控制好。

　　選擇數(shù)字控制的另一個(gè)優(yōu)勢(shì)是便于以數(shù)字電路模塊的形式對(duì)LED驅(qū)動(dòng)器IC實(shí)施控制。對(duì)于256階的灰階控制而言，數(shù)字控制的成本比模擬控制低。

　　圖 4.綠色LED電流與波長實(shí)例

　　這種ON/OFF 數(shù)字控制稱之為脈寬調(diào)制(PWM)控制，或者PWM調(diào)光?，F(xiàn)將PWM控制開關(guān)添加至圖2。

　　如何構(gòu)成矩陣或2D圖像

　　RGB LED燈可平鋪構(gòu)成2維(2D)影像。　　顯示系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

　　RGB LED燈可用于構(gòu)成正方形的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)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(yīng)用有所不同。可將多個(gè)模塊組合在一起，構(gòu)成機(jī)械系統(tǒng)結(jié)構(gòu)或面板。LED顯示系統(tǒng)廠商通常提供各種面板。每個(gè)面板都有機(jī)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(shù)據(jù)接口和處理器。在構(gòu)建體育場(chǎng)大屏幕或路邊廣告牌等顯示系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)，可安裝多塊面板構(gòu)成最終顯示屏。在施工現(xiàn)場(chǎng)，每塊面板的所有數(shù)據(jù)線和電源線都會(huì)集中在中央控制單元。

　　圖 5.LED 顯示系統(tǒng)由模塊/面板/顯示屏組成

　　像素間距

　　一套LED顯示系統(tǒng)包含大量的LED燈和一個(gè)大電源。設(shè)計(jì)系統(tǒng)時(shí)需要重點(diǎn)考慮LED燈的密度優(yōu)化問題。LED 燈的該密度稱為每個(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(shí)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(shí)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(shí)別的分辨率

　　圖6是如何計(jì)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可視為過大，對(duì)于高質(zhì)量視頻系統(tǒng)而言三倍Dpp1就夠好了。在公式4中，DPP是指導(dǎo)標(biāo)準(zhǔn)。

　　公式4 的簡單記憶方法是：

　　所需的像素間距(毫米：mm)=“視距”(米：m)

　　例如，5m視距的系統(tǒng)需要5mm像素間距來實(shí)現(xiàn)良好分辨率。另一個(gè)視覺實(shí)例如圖7所示，圖中展示了過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)看起來很粗糙，無法近距離辨識(shí)。但保持一定的距離觀看時(shí)影像開始變得清晰，與觀看像素間距為5mm的影像(下)類似。這個(gè)實(shí)例清楚地說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(duì)比

　　靜態(tài)驅(qū)動(dòng)器與時(shí)分復(fù)用驅(qū)動(dòng)器

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

　　圖8 對(duì)比了靜態(tài)陽極驅(qū)動(dòng)器系統(tǒng)與時(shí)分復(fù)用陽極驅(qū)動(dòng)器系統(tǒng)。靜態(tài)陽極驅(qū)動(dòng)器配置十分明確：一個(gè)LED驅(qū)動(dòng)器IC驅(qū)動(dòng)一個(gè)LED。在設(shè)計(jì)具有大量像素點(diǎn)的系統(tǒng)時(shí)，靜態(tài)陽極驅(qū)動(dòng)器需要大量LED驅(qū)動(dòng)器IC。相反，時(shí)分復(fù)用陽極驅(qū)動(dòng)器系統(tǒng)讓多個(gè)LED燈共享一個(gè)IC，因而使用的LED驅(qū)動(dòng)器IC數(shù)量較少。時(shí)分復(fù)用驅(qū)動(dòng)器的權(quán)衡在于輸出LED光強(qiáng)度會(huì)因分時(shí)而降低。

　　在戶外顯示系統(tǒng)中，需要極強(qiáng)的LED輸出來克服太陽光亮度，以便人眼能看清楚影像。在這種戶外系統(tǒng)中，更適合選用靜態(tài)陽極驅(qū)動(dòng)器。另一方面，在室內(nèi)系統(tǒng)中，時(shí)分復(fù)用陽極驅(qū)動(dòng)器則是降低系統(tǒng)構(gòu)建成本的好方法。

　　時(shí)分復(fù)用已經(jīng)成了當(dāng)前應(yīng)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(yīng)用中。

　　圖 8.靜態(tài)陽極驅(qū)動(dòng)器與時(shí)分復(fù)用陽極驅(qū)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(nèi)顯示24張不同的靜態(tài)影像，幀速率為24。

　　當(dāng)模擬電視攝像機(jī)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(gòu)成的斑馬紋混合畫面(圖9)。這種現(xiàn)象由同步電視攝像機(jī)和電視屏幕掃描率引起。在拍攝LED屏幕的攝像機(jī)采用時(shí)分復(fù)用陽極驅(qū)動(dòng)器時(shí)，也會(huì)出現(xiàn)相同的問題。應(yīng)用實(shí)例包括使用電視攝像機(jī)拍攝背景墻壁上由LED顯示器放大演員的舞臺(tái)影像或者用電視攝像機(jī)拍攝體育場(chǎng)中體育賽事比分牌或標(biāo)牌等。要避免這個(gè)問題，LED顯示器現(xiàn)在需要比攝像機(jī)系統(tǒng)運(yùn)行得更快，特別是在專用LED顯示器市場(chǎng)。

　　圖 9. 電視攝像機(jī)拍攝另一個(gè)電視屏幕引起的黑色條帶

　　為滿足更快運(yùn)行這一要求，很多LED顯示系統(tǒng)都在一個(gè)幀周期內(nèi)反復(fù)顯示相同的影像，稱為幀刷新率。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(fù)“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(tǒng)中，幀速率在50Hz至120Hz的范圍內(nèi)，而幀刷新率則介于50Hz至2kHz之間。

　　ON/OFF 控制驅(qū)動(dòng)器或 PWM 控制驅(qū)動(dòng)器

　　為了滿足系統(tǒng)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(qū)動(dòng)器，而第二種則是PWM控制驅(qū)動(dòng)器。

　　圖11a是采用ON/OFF控制IC的系統(tǒng)，具有每個(gè)位對(duì)應(yīng)于一個(gè)輸出的ON/OFF寄存器。寄存器位的邏輯高可打開對(duì)應(yīng)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(tǒng)，具有一個(gè)可參考時(shí)鐘計(jì)數(shù)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 比較器可通過計(jì)數(shù)器和灰階 (GS)寄存器比較和生成PWM輸出模式。

　　對(duì)于這兩種類型的驅(qū)動(dòng)器IC而言，兩種工作都是并列執(zhí)行的：

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