利用驱动芯片快速响应的优势实现高画质的LED显示屏

2009年12月21日 11:12    贾延安
关键词: LED , 画质 , 快速响应 , 显示屏 , 芯片
  整体速度的提升-更高的刷新率与换帧率

  LED是经由流过的电流来驱动的,而通过的脉冲宽度可以控制LED的亮度及灰度,简单来说若不考虑系统端的设计,刷新率是经由寻址时间 (Tacc)及流过LED的电流速度所决定的;而换帧率的提高除了系统的支持外更需要更快的寻址时间,而寻址时间与传输的频率(DCLK)与寻址数有强烈的正相关。

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  例如:有一全彩户外显示屏寻址数为768,若是使用不同的频率则整体的寻址时间也会不同:

  工作频率为10MHz≥768×0.1ms= 76.8ms;

  工作频率为30MHz≥768×0.033ms = 25.6ms。

  由上可见,两者的寻址时间相差3倍。

  而电流流过LED的速度决定LED显示屏的刷新率。举例说明,若一个LED显示屏寻址数皆为768、工作频率为30MHz、灰阶调整为8位、亮度调整皆为2位、每子场的间隔时间为4ms;传统驱动芯片的显示脉冲宽度为250ns,而迅杰公司SnapDrive驱动芯片的脉冲宽度为50ns,两者可以达到的刷新率有明显的差异。

  A. 传统驱动芯片(脉冲宽度为250ns)

  权重安排为1/64,1/32,1/16,1/8,1/4,1/2,1,2,4,8,16,32

  Tfr=25.6ms×(6+63)+5×4ms= 1786.4ms

  刷新率fr = 559.7Hz

  B. SnapDrive驱动芯片(脉冲宽度为50ns)

  权重安排为1/512,1/256,1/128,1/64,1/32,1/16,1/8,1/4,1/2,1,2,4

  Tfr=25.6ms×(9+7)+8×4ms= 441.6ms

  fr=2264.5Hz

  显示灰阶度提升

  目前市场上一般通用的传统驱动芯片其OE(芯片输出端使能脚,Chip Output Enable)响应时间约为250ns,若以上述的例子来看其最高的灰阶为8位;亦即R、G、B各有256个灰阶度。其色彩为256×256×256 =16777216 约1千六百万色。若想将灰阶度提高至14位亦即16384×16384×16384=4.39千亿色;两者之间的刷新频率亦会得到明显的差异。

  A. 传统驱动芯片(脉冲宽度为250ns)

  权重安排为1/64,1/32,1/16,1/8,1/4,1/2,1,2,4,8,16,32,64,128,256,512,1024,2048

  Tfr=25.6ms×[6+4095]+5×4ms = 105005.6ms

  fr = 9.5 Hz

  B. SnapDrive驱动芯片(脉冲宽度为25ns)

  权重安排为 1/1024,1/512,1/256,1/128,1/64,1/32,1/16,1/8,1/4,1/2,1,2,4,8,16,32,64,128

  Tfr=25.6ms×[10+255]+9×4ms =6820ms

  fr =146.6Hz

  从台湾迅杰科技推出包含SnapDrive技术之驱动芯片测试条件及结果可见,驱动芯片在极小的OE脉冲宽度下其输出电流仍为线性输出,而传统驱动芯片则无法提供线性的输出。

  测试条件:

  Vcc=5V,Iout=38.3mA,RL=47Ω,CL=13pF

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  失真率的降低

  针对不同的输出电流斜率的驱动芯片,利用仿真软件(HSPICE2007),可在失真率方面得到不同的结果,如表2所示。

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  仿真条件:传统驱动芯片:Ton:160ns,Tof:70ns

  SnapDrive驱动芯片:Ton:15ns,Tof:15ns

  Vin: 5V,Iout=20mA,LED等效电路RL:52Ω,CL:10pf

  OE 脉冲宽度为:250ns

  解决LED 热的问题及增加LED的寿命

  如图3所示为50%占空比的电流输出示意图,若在同一个时间内将出电流的脉冲平均打散,不但不影响输出电流及LED的亮度也可以避免LED长时间的点亮造成LED过热及寿命提早衰减的现象。

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  快速响应电路设计

  使用快速响应的驱动芯片虽然可以提高LED显示屏之灰阶度及刷新频率;不过根据电感效应的公式DV=L·di/dt,因时间t变小;相对而言瞬间的电压变大所以容易产生突波。笔者在此列上几个电路设计上的改善方式供读者参考:

  DV:电压的变化量;

  L:电路上寄生之电感;

  di:对电流的微分;

  dt:对时间的微分。

  在电路设计上有几点需要特别注意:

  1. PCB(印制电路板)最好是4层板以上,将电源及地独立一层;走线部分越短越好;

  2. VLED及VCC对地端加上一个大的稳压电容,建议CP1及CP2为1000~1500mF;

  3. VLED与VCC分开为不同电源;

  4. 可在频率输入端加上RC电路,将其峰值降低,降低对电磁干扰的影响;建议Rt<22Ω、Ct<33pF。

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  扫描屏上;建议在MOS的栅极与74HC138之间串一个电阻,以避免VLED端的电感效应及MOS端寄生电容所产生的突波,造成74HC138烧毁;建议Rg<100Ω、Cg<47pF(电容部分可选择不加)。

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  结论

  凭借快速响应驱动芯片SnapDrive,不但可以提升整屏的灰阶显示及刷新频率、降低电流输出失真率,也由于传统驱动芯片电流的爬升及下降时间较长,在未达到设定电流时其非线性输出会影响LED的发光特性(波长),容易造成显示屏色彩失真的现象。但由于传输及工作频率的提高对设计者而言除了在电路设计上要更加小心外,挑选高质量、高信赖度的驱动芯片更是不二法门。

  参考文献:

  [1]李熹霖.谈LED大屏的刷新频率和换帧频率.现代显示,2004(01)

  [2]王丽莉,董金明.LED全彩屏脉冲打散显示方案.电子测量技术(J),2006,29(4)

  [3]王莹. LED:让世界光彩夺目.电子产品世界,2009,16(4):24-26

  [4]杨军平,吴欣慧,秦长海,等.电子产品世界,2009,16(6):40-43

  [5]王莹. LED产业的发展概况.电子产品世界,2009,16(10):11-13

作者:郑文盛 台湾迅杰科技产品经理   时间:2009-12-10  来源:电子产品世界
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