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LED显示屏设计及技术发展趋势 |
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newmaker 来源：电子工程专辑 |
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大屏幕一直是LED领域火热发展的重要组成部分，是大型娱乐、体育赛事、广场装点主题显示重要组成部分，从蓝光LED诞生以来，一直保持高速发展态势。在装饰显示市场LED将起到积极的作用，市场扩张明显。中国是全球LED显示屏生产大国，从LED芯片、驱动IC、控制器、屏幕制造等完全占据主导地位。
LED屏幕现状
16位移位恒流IC的由来：双色屏主要是以显示文字为主，单片机扫描比较方便，由于LED数量的增加，为了节省O/I资源，采用74HC595移位扫描。为了更适合LED的应用在此基础上整合了恒流电流设定功能，增加了电流驱动能力，更符合需求及成本需要又封装出16位器件，被目前全彩屏广泛采用。
电流驱动能力不断降低，早前TLC5940高达120mA单路驱动电流能力，后来TB62726、ST2221、MBI5026电流驱动能力都降低到80-90mA。目前基本上是采用45mA电流驱动能力，比如MBI5024和CYT62726。电流驱动能力降低，主要原因是LED器件发光强度越来越高，为了提升图像质量，静态屏幕设计越来越多采用，对驱动电流能力需求降低。从IC成本角度可以缩减芯片尺寸，从而降低成本，为此设计出25mA静态屏幕驱动芯片 CYT62727。
目前全球有80%的LED大屏幕生产在中国大陆，普遍采用16通道恒流器件设计，短期内还会继续延续，至少未来5年内不会消失，最主要的原因是配套控制技术成熟，产品已经系列化，除非系统控制技术和芯片设计有巨大的飞跃，成本进一步的降低，否则现状不会改变。近年来，不少的公司不断的推出新架构，都未来得到市场认可。LED屏幕最大的问题是通过控制技术改变LED的颜色一致性，新的技术没有大的突破之前，对应用者吸引不大，购买意愿不强。
近几年，大陆芯片设计公司一定会替代性的占领LED显示屏市场，像士兰明芯稳居主流显示屏LED芯片供应商，分析原因有出色的品质保证外，良好的直销模式是赢得市场法宝。未来驱动IC也需要直销模式出现，当然质量也很重要。显示屏企业大多是大陆本土企业，和台系IC在分销账期和交货期上面信任度还需要进一步的改善。
在驱动应用技术上，色彩的矫正技术亟待解决的瓶颈，显示屏衰减一致性问题突出，波长矫正和亮度矫正是下一个重点突破目标，首先是解决亮度一致性问题，再而是波长的一致性矫正。这是世界性难题，也是当前亟待解决的技术难题。
控制技术的发展国内已经走在前列，存在的问题是在新的控制理念上停滞不前，原因是控制器厂家和IC设计厂家配合不畅，各自为政，驱动技术和控制技术不能很好的衔接，采用16通道兼容性设计发展成熟度高，新的控制技术推出很少，更谈不上技术的革新。举例：MBI5026设计LED屏幕长达十几年之久，到目前的MBI5024也只不过是减低电流，应对竞争激烈的价格而已，并没有技术上的突破。台湾聚积公司先后也推出了多款升级IC，并没有得到很好的应用，是控制技术的缺失造成的。在电脑技术飞速发展的今天，可以替代简化控制器的规模，但是技术的移植也需要IC设计厂家的支持，市场缺失控制技术和芯片驱动整合性的方案提供商。
2009年LED显示行业国内市场规模超过300多亿，年产值过亿的企业有30多家，过千万100多家，大小有上千家企业从事显示制造行业。LED显示屏继续保持15%增长速度，技术日渐成熟。我国大型赛事工程不断，带动LED增长强劲。比如：奥运、世博、亚运会、上海迪斯尼、地铁、高铁等工程赛事。
基本设计原理
文字显示屏，只要内容显示清楚，有足够的的亮度，基本上都会满足客户需要了。但是对于图像显示屏的显示质量进行评价，问题就复杂得多。一般是主观方式来评价显示屏图像显示质量。所谓主观方式评价，就是人为的方式评判，通过观察图像显示质量做出评判。这样。评价结果不仅与图像本身显示质量有关，而且与观察者的主观因素也有关系，很难说是公正和确切性的标准。尽管如此目前还是没有很好的办法，在没有客观的测量方式出现之前，主观方式仍然是最有效、实用的方法。
最大显示色彩数
显示器的每个像素的颜色都是由RGB(红、绿、蓝)三种基色组成。低端的液晶显示板，各个基色只能表现6位色，即26=64种颜色。通过简单的计算，我们可以知道每个独立像素可以表现的最大颜色数是64×64×64=262,144种颜色；高端液晶显示板利用FRC技术则使得每个基色则可以表现 8位色，即28=256种颜色,则像素能表现的最大颜色数为256×256×256=16,777,216种颜色。这种显示板显示的画面色彩更丰富，层次感也好。目前市面上的液晶显示器此两种显示板都有采用，大家可以留心一下。
实际使用中，光强计算常常采用比较容易测绘的数据单位或变向使用。对于LED显示屏这种主动发光体一般采用CD/平方米作为发光强度单位，并配合观察角度为辅助参数，其等效于屏体表面的照度单位勒克司；将此数值与屏体有效显示面积相乘，得到整个屏体的在最佳视角上的发光强度，假设屏体中每个像素的发光强度在相应空间内恒定，则此数值可被认为也是整个屏体的光通量。一般室外LED显示屏须达到4,000 CD/平方米以上的亮度才可在日光下有比较理想的显示效果。普通室内LED，最大亮度在700～2,000 CD/平方米左右。
单个LED的发光强度以CD为单位，同时配有视角参数，发光强度与LED的色彩没有关系。单管的发光强度从几个mCD到五千mCD不等。LED生产厂商所给出的发光强度指LED在20mA电流下点亮，最佳视角上及中心位置上发光强度最大的点。封装LED时顶部透镜的形状和LED芯片距顶部透镜的位置决定了LED视角和光强分布。一般来说相同的LED视角越大，最大发光强度越小，但在整个立体半球面上累计的光通量不变。
当多个LED较紧密规则排放，其发光球面相互叠加，导致整个发光平面发光强度分布比较均匀。在计算显示屏发光强度时，需根据LED视角和LED的排放密度，将厂商提供的最大点发光强度值乘以30%～90%不等，作为单管平均发光强度。
一般LED的发光寿命很长，生产厂家一般都标明为100,000小时以上，这是在设定的最佳的条件下，实际还应注意LED的亮度衰减周期，亮度衰减周期与LED生产的材料工艺及生产厂商有很大关系，一般在经济条件许可的情况下应选用亮度衰减较缓慢的品牌。
屏幕多采用直插型椭圆形LED，国内的封装技术大多可以满足屏幕设计需要。口碑比较好的LED有Cree或用士兰明芯、厦门三安等国内LED发光芯片封装。
时序
CYT62726内部是16位移位寄存器，多颗CYT62726串行数据移位，每个时钟周期CLK移送1位数据SDI，串行数据输入驱动器开/关控制。施密特缓冲输入。当其中数据“1”被写入到SDI的开关控制移位寄存器/时CLK的上升沿。
CLK串行数据移位时钟。施密特缓冲输入。所有的数据/关控制的转变移位是由1位的最高位同步的CLK的上升沿，单路数据移位到SD在同一时间。CLK的上升沿输入获准后，持续100ns的上升沿。
LE边沿触发锁存器。施密特缓冲输入。当前对应移位寄存器中数据，在此上升沿数据被锁存。
OE所有输出空白。施密特缓冲输入。当OE是低电平时，所有恒流输出(OUT0～15)被执行。当OE=1，所有恒流输出控制的开关在数据控制数据/锁存状态。OE决定执行数据长度时间。
驱动恒流芯片方框图
周边器件选择
在屏幕设计大约在3-6片CYT62726分布的PCB范围内，设置1,000μF左右容量电容器，在选择滤波电容时，应用采用低ESR(等效串联电阻)电容器，以最大限度的减小输出波纹，这是与其它电介质相比，这些材料能在较宽的电压和温度范围内维持其容量不变。
在电源和地之间连接着去耦电容，它有三个方面的作用：一是作为本集成电路的蓄能电容；二是滤除该器件产生的高频噪声，切断其通过供电回路进行传播的通路；三是防止电源携带的噪声对电路构成干扰。
对于设计LED点彩产品，灯点内部增设滤波电容非常重要，主要在于越是色彩的变化丰富供电波动更会增加，滤波电容在这里显得比设计在任何产品中都要重要。对于大多数高的电流设计，推荐采用一个470至1000μF容值。这里设计不能没有这颗电容。
见下图，通常我们设计线路时，会在IC输入设计去耦电容：一方面是本集成电路的蓄能电容，另一方面旁路掉该器件的高频噪声。数字电路中典型的去耦电容值是0.1μF。这个电容的分布电感的典型值是5μH，0.1μF的去耦电容有5μH的分布电感，它的并行共振频率大约在7MHz左右，对于10MHz以下的噪声有较好的去耦效果。去耦电容的选用并不严格，可按C=1/F，即10MHz取0.1μF。
对于大多数高的电路设计，在输入采用一个0.01至0.1μF电容就足够了。这里设计不能没有这颗电容。
在VCC电源供电中建议串接一只10Ω电阻，LED屏幕工作时内容波动比较大，会超过10V以上。建议VCC还是需要电阻减少冲击，主要是减小电压波动带来的波峰，特别是LED显示，Vp-p会高出数倍。IC电源输入端也是最易受到冲击地方，电阻的存在同时也会提高电容滤波效果，这里也可以考虑增加一颗 4.7μF的电容提高电压的稳定性。16位恒流器件VCC耐压并不高，和输出恒流端口耐压是不一样的，在这里增加一颗电阻非常重要，后面还会介绍结合 PCB设计，分开供电的方式避免波峰值冲击。
在设计产品时需要确定输出电流值，CYT62726第23管脚是为方便设置电流而设计，外设电阻选择按前章节公式计算，也可以按下表选取，参考设计910Ω大概在20mA电流值。 PCB板级设计电阻要紧贴近IC管脚23与1之间，减小这两个管脚PCB板级电阻会提高参考恒流精度。
实测设置电阻与电流对照表
 恒流输出精度及计算
16通道恒流是该芯片重要参数之一，它有几个关键指标组成：
恒流最低压差；片间恒流误差；VCC电压调整率；负载调整率；温度漂移。
1) 输出恒流压差希望越低越好，通常维持在0.6-1V之间，最好是低于0.6V。从上图测试曲线可以看出，随着输出电流的增加，压差也会增加。在有一种设计中很关键，例如2R屏设计中：
很多的屏幕是2R'1G'1B设计的，2颗红色LED需要4V电压才能正常点亮，假设驱动IC需要1V压差，那最低建立恒流电压是5V，在5V电源供电情况下，远离电源端子地方有可能达不到5V最基本电压值。屏幕出现偏色，输出电流调整不到理想值，问题就是出在这里。
由此可以看出恒流压差维持到0.6V是最合理的，部分IC为了降低成本，大幅度减小尺寸，是造成压差高的主要原因。16通道恒流IC是线性恒流方式，压差的形成是IC最主要的热源之一，较低的压差利于芯片散热。
1) 片间恒流误差±3%；
片间误差是恒流输出重要的参数之一，我们通常看到标注片内通道±1.5%，片间通道±3%恒流误差，实际片内误差可以不予考虑，因为我们不会单独使用1颗芯片，在LED屏幕设计主要考虑片间误差。
2) 受VCC电压变化恒流精度影响±0.07%/V；
VCC电压变化是会影响到输出电流精度的，在PCB设计走线要考虑LED供电和IC供电分开，提高滤波效果，能达到很好的效果。
3) 负载调整率，负载端电压影响的电流输出特性，维持在±0.01%/V；
负载电压不同或波动，会影响恒流精度，虽然是很小。解决的办法是尽量加宽PCB供电走线。
按照下面表格选取合适的宽度和铜厚：
1) 温度恒流漂移0.0005%/℃。
环境温度和芯片发热也会影响到输出恒流精度，30℃上升到70℃大概会有2%误差，也相当重要。
输出电流计算
套用下面公式可以计算输出电流值：
Vref为23管脚输出电压，Vref维持在1.2V左右。例如：输出电流设定在20mA，电阻值在910左右，即：
大概电流在20mA左右，公式计算误差电流维持在±5%以内。严谨的电路设计需要精确测量，经确认后的电流，保持±1%电阻值误差，批量中电流精度维持在±3%以内。
静态驱动方式是有利于LED寿命的设计，随着驱动IC成本不断降低，越来越多的采用静态设计方式，静态是针对扫描屏设计方式而言的，CYT62726输出端口只单独连接1颗或1串LED，数据传送针对单个像素点驱动，IC使用数量最多的一种设计。静态设计比较能发挥LED性能，驱动电流值是LED正常工作值，有利于LED最佳使用寿命。
在静态屏幕设计中，多片CYT62726级联方式，CLK、LE、OE是并行传送结构，在数据传递中需要增加74HC245来提高驱动能力，一般建议3-6片CYT62726设置1片74HC245。SD数据是串行传递方式，按照设计设计可以采用经过74HC245，也可以不经过74HC245，因为数据串行传送有足够的驱动能力。
1/4扫描设计方式也是LED屏幕采用较多的设计方式之一。主要是不需要太高LED亮度的产品设计，比如室内屏；不需要太高灰阶等级的屏幕，比如多用于数字图形显示的地方。
1/4扫描设计数据、时钟、锁存、使能传送方式是和静态设计一样的，为了提高刷新率，传送数据量会增加数倍。
1/4扫描需要增加B0-B3扫描选通线，在每帧单位时间内，B0-B3会按次序选通一次，在单位时间1S钟内B0-B3分别占用(1/4)S时间。
每当B0-B3被选通，其中被选通点亮的LED数据被移位到该像素，并锁存和使能(执行显示)。
CYT62726的16个端口驱动其中B0-B3选通线中共4颗LED，相对应4个单一颜色像素点，IC驱动电流是4颗LED电流的总和。
CYT62726的16个端口电流是统一设定的，为了保持白平衡R’G’B分别采用3颗CYT62726设计。选通信号是由控制器送出的，驱动PMOS打开和关闭B0-B3选通线，PMOS驱动能力与选通线B0-B3连接LED数量有关系，是整个选通线上LED电流总和，通常选择4953，但是要注意实际驱动能力。
在1/4扫描设计中，CYT62726是多片级联方式，CLK、LE、OE是并行传送结构，在数据传递中需要增加74HC245来提高驱动能力，一般建议3-6片CYT62726设置1片74HC245。SD数据是串行传递方式，按照设计设计可以采用经过74HC245，也可以不经过74HC245，因为数据串行传送有足够的驱动能力。
在1/4扫描设计中，一般驱动电流较大，单颗红色LED时，需要串接电阻分压，分担芯片热量。最好的办法是两颗红色LED串接，提高亮度降低驱动电流，但是需要和设计面板显示结构相结合。
(end)
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(8/4/2010) |
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