海峽彩亮LED顯示屏設(shè)計(jì)及技術(shù)發(fā)展趨勢
大屏幕一直是LED領(lǐng)域火熱發(fā)展的重要組成部分，是大型娛樂、體育賽事、廣場裝點(diǎn)主題顯示重要組成部分，從藍(lán)光LED誕生以來，一直保持高速發(fā)展態(tài)勢。在裝飾顯示市場LED將起到積極的作用，市場擴(kuò)張明顯。中國是全球LED顯示屏生產(chǎn)大國，從LED芯片、驅(qū)動IC、控制器、屏幕制造等完全占據(jù)主導(dǎo)地位。 LED屏幕現(xiàn)狀 16位移位恒流IC的由來：雙色屏主要是以顯示文字為主，單片機(jī)掃描比較方便，由于LED數(shù)量的增加，為了節(jié)省O/I資源，采用74HC595移位掃描。為了更適合LED的應(yīng)用在此基礎(chǔ)上整合了恒流電流設(shè)定功能，增加了電流驅(qū)動能力，更符合需求及成本需要又封裝出16位器件，被目前全彩屏廣泛采用。 電流驅(qū)動能力不斷降低，早前TLC5940高達(dá)120mA單路驅(qū)動電流能力，后來TB62726、ST2221、MBI5026電流驅(qū)動能力都降低到80-90mA。目前基本上是采用45mA電流驅(qū)動能力，比如MBI5024和CYT62726。電流驅(qū)動能力降低，主要原因是LED器件發(fā)光強(qiáng)度越來越高，為了提升圖像質(zhì)量，靜態(tài)屏幕設(shè)計(jì)越來越多采用，對驅(qū)動電流能力需求降低。從IC成本角度可以縮減芯片尺寸，從而降低成本，為此設(shè)計(jì)出25mA靜態(tài)屏幕驅(qū)動芯片 CYT62727。 目前全球有80%的LED大屏幕生產(chǎn)在中國大陸，普遍采用16通道恒流器件設(shè)計(jì)，短期內(nèi)還會繼續(xù)延續(xù)，至少未來5年內(nèi)不會消失，最主要的原因是配套控制技術(shù)成熟，產(chǎn)品已經(jīng)系列化，除非系統(tǒng)控制技術(shù)和芯片設(shè)計(jì)有巨大的飛躍，成本進(jìn)一步的降低，否則現(xiàn)狀不會改變。近年來，不少的公司不斷的推出新架構(gòu)，都未來得到市場認(rèn)可。LED屏幕最大的問題是通過控制技術(shù)改變LED的顏色一致性，新的技術(shù)沒有大的突破之前，對應(yīng)用者吸引不大，購買意愿不強(qiáng)。 近幾年，大陸芯片設(shè)計(jì)公司一定會替代性的占領(lǐng)LED顯示屏市場，像士蘭明芯穩(wěn)居主流顯示屏LED芯片供應(yīng)商，分析原因有出色的品質(zhì)保證外，良好的直銷模式是贏得市場法寶。未來驅(qū)動IC也需要直銷模式出現(xiàn)，當(dāng)然質(zhì)量也很重要。顯示屏企業(yè)大多是大陸本土企業(yè)，和臺系IC在分銷賬期和交貨期上面信任度還需要進(jìn)一步的改善。 在驅(qū)動應(yīng)用技術(shù)上，色彩的矯正技術(shù)亟待解決的瓶頸，顯示屏衰減一致性問題突出，波長矯正和亮度矯正是下一個(gè)重點(diǎn)突破目標(biāo)，首先是解決亮度一致性問題，再而是波長的一致性矯正。這是世界性難題，也是當(dāng)前亟待解決的技術(shù)難題。 控制技術(shù)的發(fā)展國內(nèi)已經(jīng)走在前列，存在的問題是在新的控制理念上停滯不前，原因是控制器廠家和IC設(shè)計(jì)廠家配合不暢，各自為政，驅(qū)動技術(shù)和控制技術(shù)不能很好的銜接，采用16通道兼容性設(shè)計(jì)發(fā)展成熟度高，新的控制技術(shù)推出很少，更談不上技術(shù)的革新。舉例：MBI5026設(shè)計(jì)LED屏幕長達(dá)十幾年之久，到目前的MBI5024也只不過是減低電流，應(yīng)對競爭激烈的價(jià)格而已，并沒有技術(shù)上的突破。臺灣聚積公司先后也推出了多款升級IC，并沒有得到很好的應(yīng)用，是控制技術(shù)的缺失造成的。在電腦技術(shù)飛速發(fā)展的今天，可以替代簡化控制器的規(guī)模，但是技術(shù)的移植也需要IC設(shè)計(jì)廠家的支持，市場缺失控制技術(shù)和芯片驅(qū)動整合性的方案提供商。 2009年LED顯示行業(yè)國內(nèi)市場規(guī)模超過300多億，年產(chǎn)值過億的企業(yè)有30多家，過千萬100多家，大小有上千家企業(yè)從事顯示制造行業(yè)。LED顯示屏繼續(xù)保持15%增長速度，技術(shù)日漸成熟。我國大型賽事工程不斷，帶動LED增長強(qiáng)勁。比如：奧運(yùn)、世博、亞運(yùn)會、上海迪斯尼、地鐵、高鐵等工程賽事。 基本設(shè)計(jì)原理 文字顯示屏，只要內(nèi)容顯示清楚，有足夠的的亮度，基本上都會滿足客戶需要了。但是對于圖像顯示屏的顯示質(zhì)量進(jìn)行評價(jià)，問題就復(fù)雜得多。一般是主觀方式來評價(jià)顯示屏圖像顯示質(zhì)量。所謂主觀方式評價(jià)，就是人為的方式評判，通過觀察圖像顯示質(zhì)量做出評判。這樣。評價(jià)結(jié)果不僅與圖像本身顯示質(zhì)量有關(guān)，而且與觀察者的主觀因素也有關(guān)系，很難說是公正和確切性的標(biāo)準(zhǔn)。盡管如此目前還是沒有很好的辦法，在沒有客觀的測量方式出現(xiàn)之前，主觀方式仍然是最有效、實(shí)用的方法。 最大顯示色彩數(shù) 顯示器的每個(gè)像素的顏色都是由RGB(紅、綠、藍(lán))三種基色組成。低端的液晶顯示板，各個(gè)基色只能表現(xiàn)6位色，即26=64種顏色。通過簡單的計(jì)算，我們可以知道每個(gè)獨(dú)立像素可以表現(xiàn)的最大顏色數(shù)是64×64×64=262,144種顏色；高端液晶顯示板利用FRC技術(shù)則使得每個(gè)基色則可以表現(xiàn) 8位色，即28=256種顏色,則像素能表現(xiàn)的最大顏色數(shù)為256×256×256=16,777,216種顏色。這種顯示板顯示的畫面色彩更豐富，層次感也好。目前市面上的液晶顯示器此兩種顯示板都有采用，大家可以留心一下。 實(shí)際使用中，光強(qiáng)計(jì)算常常采用比較容易測繪的數(shù)據(jù)單位或變向使用。對于LED顯示屏這種主動發(fā)光體一般采用CD/平方米作為發(fā)光強(qiáng)度單位，并配合觀察角度為輔助參數(shù)，其等效于屏體表面的照度單位勒克司；將此數(shù)值與屏體有效顯示面積相乘，得到整個(gè)屏體的在最佳視角上的發(fā)光強(qiáng)度，假設(shè)屏體中每個(gè)像素的發(fā)光強(qiáng)度在相應(yīng)空間內(nèi)恒定，則此數(shù)值可被認(rèn)為也是整個(gè)屏體的光通量。一般室外LED顯示屏須達(dá)到4,000 CD/平方米以上的亮度才可在日光下有比較理想的顯示效果。普通室內(nèi)LED，最大亮度在700～2,000 CD/平方米左右。 單個(gè)LED的發(fā)光強(qiáng)度以CD為單位，同時(shí)配有視角參數(shù)，發(fā)光強(qiáng)度與LED的色彩沒有關(guān)系。單管的發(fā)光強(qiáng)度從幾個(gè)mCD到五千mCD不等。LED生產(chǎn)廠商所給出的發(fā)光強(qiáng)度指LED在20mA電流下點(diǎn)亮，最佳視角上及中心位置上發(fā)光強(qiáng)度最大的點(diǎn)。封裝LED時(shí)頂部透鏡的形狀和LED芯片距頂部透鏡的位置決定了LED視角和光強(qiáng)分布。一般來說相同的LED視角越大，最大發(fā)光強(qiáng)度越小，但在整個(gè)立體半球面上累計(jì)的光通量不變。 當(dāng)多個(gè)LED較緊密規(guī)則排放，其發(fā)光球面相互疊加，導(dǎo)致整個(gè)發(fā)光平面發(fā)光強(qiáng)度分布比較均勻。在計(jì)算顯示屏發(fā)光強(qiáng)度時(shí)，需根據(jù)LED視角和LED的排放密度，將廠商提供的最大點(diǎn)發(fā)光強(qiáng)度值乘以30%～90%不等，作為單管平均發(fā)光強(qiáng)度。 一般LED的發(fā)光壽命很長，生產(chǎn)廠家一般都標(biāo)明為100,000小時(shí)以上，這是在設(shè)定的最佳的條件下，實(shí)際還應(yīng)注意LED的亮度衰減周期，亮度衰減周期與LED生產(chǎn)的材料工藝及生產(chǎn)廠商有很大關(guān)系，一般在經(jīng)濟(jì)條件許可的情況下應(yīng)選用亮度衰減較緩慢的品牌。 屏幕多采用直插型橢圓形LED，國內(nèi)的封裝技術(shù)大多可以滿足屏幕設(shè)計(jì)需要?？诒容^好的LED有Cree或用士蘭明芯、廈門三安等國內(nèi)LED發(fā)光芯片封裝。 時(shí)序 CYT62726內(nèi)部是16位移位寄存器，多顆CYT62726串行數(shù)據(jù)移位，每個(gè)時(shí)鐘周期CLK移送1位數(shù)據(jù)SDI，串行數(shù)據(jù)輸入驅(qū)動器開/關(guān)控制。施密特緩沖輸入。當(dāng)其中數(shù)據(jù)“1”被寫入到SDI的開關(guān)控制移位寄存器/時(shí)CLK的上升沿。 CLK串行數(shù)據(jù)移位時(shí)鐘。施密特緩沖輸入。所有的數(shù)據(jù)/關(guān)控制的轉(zhuǎn)變移位是由1位的最高位同步的CLK的上升沿，單路數(shù)據(jù)移位到SD在同一時(shí)間。CLK的上升沿輸入獲準(zhǔn)后，持續(xù)100ns的上升沿。 LE邊沿觸發(fā)鎖存器。施密特緩沖輸入。當(dāng)前對應(yīng)移位寄存器中數(shù)據(jù)，在此上升沿?cái)?shù)據(jù)被鎖存。 OE所有輸出空白。施密特緩沖輸入。當(dāng)OE是低電平時(shí)，所有恒流輸出(OUT0～15)被執(zhí)行。當(dāng)OE=1，所有恒流輸出控制的開關(guān)在數(shù)據(jù)控制數(shù)據(jù)/鎖存狀態(tài)。OE決定執(zhí)行數(shù)據(jù)長度時(shí)間。周邊器件選擇 在屏幕設(shè)計(jì)大約在3-6片CYT62726分布的PCB范圍內(nèi)，設(shè)置1,000μF左右容量電容器，在選擇濾波電容時(shí)，應(yīng)用采用低ESR(等效串聯(lián)電阻)電容器，以最大限度的減小輸出波紋，這是與其它電介質(zhì)相比，這些材料能在較寬的電壓和溫度范圍內(nèi)維持其容量不變。 在電源和地之間連接著去耦電容，它有三個(gè)方面的作用：一是作為本集成電路的蓄能電容；二是濾除該器件產(chǎn)生的高頻噪聲，切斷其通過供電回路進(jìn)行傳播的通路；三是防止電源攜帶的噪聲對電路構(gòu)成干擾。 對于設(shè)計(jì)LED點(diǎn)彩產(chǎn)品，燈點(diǎn)內(nèi)部增設(shè)濾波電容非常重要，主要在于越是色彩的變化豐富供電波動更會增加，濾波電容在這里顯得比設(shè)計(jì)在任何產(chǎn)品中都要重要。對于大多數(shù)高的電流設(shè)計(jì)，推薦采用一個(gè)470至1000μF容值。這里設(shè)計(jì)不能沒有這顆電容。見下圖，通常我們設(shè)計(jì)線路時(shí)，會在IC輸入設(shè)計(jì)去耦電容：一方面是本集成電路的蓄能電容，另一方面旁路掉該器件的高頻噪聲。數(shù)字電路中典型的去耦電容值是0.1μF。這個(gè)電容的分布電感的典型值是5μH，0.1μF的去耦電容有5μH的分布電感，它的并行共振頻率大約在7MHz左右，對于10MHz以下的噪聲有較好的去耦效果。去耦電容的選用并不嚴(yán)格，可按C=1/F，即10MHz取0.1μF。 對于大多數(shù)高的電路設(shè)計(jì)，在輸入采用一個(gè)0.01至0.1μF電容就足夠了。這里設(shè)計(jì)不能沒有這顆電容。在VCC電源供電中建議串接一只10Ω電阻，LED屏幕工作時(shí)內(nèi)容波動比較大，會超過10V以上。建議VCC還是需要電阻減少沖擊，主要是減小電壓波動帶來的波峰，特別是LED顯示，Vp-p會高出數(shù)倍。IC電源輸入端也是最易受到?jīng)_擊地方，電阻的存在同時(shí)也會提高電容濾波效果，這里也可以考慮增加一顆 4.7μF的電容提高電壓的穩(wěn)定性。16位恒流器件VCC耐壓并不高，和輸出恒流端口耐壓是不一樣的，在這里增加一顆電阻非常重要，后面還會介紹結(jié)合 PCB設(shè)計(jì)，分開供電的方式避免波峰值沖擊。 在設(shè)計(jì)產(chǎn)品時(shí)需要確定輸出電流值，CYT62726第23管腳是為方便設(shè)置電流而設(shè)計(jì)，外設(shè)電阻選擇按前章節(jié)公式計(jì)算，也可以按下表選取，參考設(shè)計(jì)910Ω大概在20mA電流值。 PCB板級設(shè)計(jì)電阻要緊貼近IC管腳23與1之間，減小這兩個(gè)管腳PCB板級電阻會提高參考恒流精度。恒流輸出精度及計(jì)算 16通道恒流是該芯片重要參數(shù)之一，它有幾個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)組成： 恒流最低壓差；片間恒流誤差；VCC電壓調(diào)整率；負(fù)載調(diào)整率；溫度漂移。1) 輸出恒流壓差希望越低越好，通常維持在0.6-1V之間，最好是低于0.6V。從上圖測試曲線可以看出，隨著輸出電流的增加，壓差也會增加。在有一種設(shè)計(jì)中很關(guān)鍵，例如2R屏設(shè)計(jì)中：很多的屏幕是2R'1G'1B設(shè)計(jì)的，2顆紅色LED需要4V電壓才能正常點(diǎn)亮，假設(shè)驅(qū)動IC需要1V壓差，那最低建立恒流電壓是5V，在5V電源供電情況下，遠(yuǎn)離電源端子地方有可能達(dá)不到5V最基本電壓值。屏幕出現(xiàn)偏色，輸出電流調(diào)整不到理想值，問題就是出在這里。 由此可以看出恒流壓差維持到0.6V是最合理的，部分IC為了降低成本，大幅度減小尺寸，是造成壓差高的主要原因。16通道恒流IC是線性恒流方式，壓差的形成是IC最主要的熱源之一，較低的壓差利于芯片散熱。 1) 片間恒流誤差±3%； 片間誤差是恒流輸出重要的參數(shù)之一，我們通?？吹綐?biāo)注片內(nèi)通道±1.5%，片間通道±3%恒流誤差，實(shí)際片內(nèi)誤差可以不予考慮，因?yàn)槲覀儾粫为?dú)使用1顆芯片，在LED屏幕設(shè)計(jì)主要考慮片間誤差。 2) 受VCC電壓變化恒流精度影響±0.07%/V； VCC電壓變化是會影響到輸出電流精度的，在PCB設(shè)計(jì)走線要考慮LED供電和IC供電分開，提高濾波效果，能達(dá)到很好的效果。 3) 負(fù)載調(diào)整率，負(fù)載端電壓影響的電流輸出特性，維持在±0.01%/V； 負(fù)載電壓不同或波動，會影響恒流精度，雖然是很小。解決的辦法是盡量加寬PCB供電走線。 按照下面表格選取合適的寬度和銅厚：1) 溫度恒流漂移0.0005%/℃。 環(huán)境溫度和芯片發(fā)熱也會影響到輸出恒流精度，30℃上升到70℃大概會有2%誤差，也相當(dāng)重要。 輸出電流計(jì)算套用下面公式可以計(jì)算輸出電流值： Vref為23管腳輸出電壓，Vref維持在1.2V左右。例如：輸出電流設(shè)定在20mA，電阻值在910左右，即： 大概電流在20mA左右，公式計(jì)算誤差電流維持在±5%以內(nèi)。嚴(yán)謹(jǐn)?shù)碾娐吩O(shè)計(jì)需要精確測量，經(jīng)確認(rèn)后的電流，保持±1%電阻值誤差，批量中電流精度維持在±3%以內(nèi)。 靜態(tài)驅(qū)動方式是有利于LED壽命的設(shè)計(jì)，隨著驅(qū)動IC成本不斷降低，越來越多的采用靜態(tài)設(shè)計(jì)方式，靜態(tài)是針對掃描屏設(shè)計(jì)方式而言的，CYT62726輸出端口只單獨(dú)連接1顆或1串LED，數(shù)據(jù)傳送針對單個(gè)像素點(diǎn)驅(qū)動，IC使用數(shù)量最多的一種設(shè)計(jì)。靜態(tài)設(shè)計(jì)比較能發(fā)揮LED性能，驅(qū)動電流值是LED正常工作值，有利于LED最佳使用壽命。 在靜態(tài)屏幕設(shè)計(jì)中，多片CYT62726級聯(lián)方式，CLK、LE、OE是并行傳送結(jié)構(gòu)，在數(shù)據(jù)傳遞中需要增加74HC245來提高驅(qū)動能力，一般建議3-6片CYT62726設(shè)置1片74HC245。SD數(shù)據(jù)是串行傳遞方式，按照設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)可以采用經(jīng)過74HC245，也可以不經(jīng)過74HC245，因?yàn)閿?shù)據(jù)串行傳送有足夠的驅(qū)動能力。1/4掃描設(shè)計(jì)方式也是LED屏幕采用較多的設(shè)計(jì)方式之一。主要是不需要太高LED亮度的產(chǎn)品設(shè)計(jì)，比如室內(nèi)屏；不需要太高灰階等級的屏幕，比如多用于數(shù)字圖形顯示的地方。 1/4掃描設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)、時(shí)鐘、鎖存、使能傳送方式是和靜態(tài)設(shè)計(jì)一樣的，為了提高刷新率，傳送數(shù)據(jù)量會增加數(shù)倍。 1/4掃描需要增加B0-B3掃描選通線，在每幀單位時(shí)間內(nèi)，B0-B3會按次序選通一次，在單位時(shí)間1S鐘內(nèi)B0-B3分別占用(1/4)S時(shí)間。 每當(dāng)B0-B3被選通，其中被選通點(diǎn)亮的LED數(shù)據(jù)被移位到該像素，并鎖存和使能(執(zhí)行顯示)。 CYT62726的16個(gè)端口驅(qū)動其中B0-B3選通線中共4顆LED，相對應(yīng)4個(gè)單一顏色像素點(diǎn)，IC驅(qū)動電流是4顆LED電流的總和。 CYT62726的16個(gè)端口電流是統(tǒng)一設(shè)定的，為了保持白平衡R’G’B分別采用3顆CYT62726設(shè)計(jì)。選通信號是由控制器送出的，驅(qū)動PMOS打開和關(guān)閉B0-B3選通線，PMOS驅(qū)動能力與選通線B0-B3連接LED數(shù)量有關(guān)系，是整個(gè)選通線上LED電流總和，通常選擇4953，但是要注意實(shí)際驅(qū)動能力。 在1/4掃描設(shè)計(jì)中，CYT62726是多片級聯(lián)方式，CLK、LE、OE是并行傳送結(jié)構(gòu)，在數(shù)據(jù)傳遞中需要增加74HC245來提高驅(qū)動能力，一般建議3-6片CYT62726設(shè)置1片74HC245。SD數(shù)據(jù)是串行傳遞方式，按照設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)可以采用經(jīng)過74HC245，也可以不經(jīng)過74HC245，因?yàn)閿?shù)據(jù)串行傳送有足夠的驅(qū)動能力。 在1/4掃描設(shè)計(jì)中，一般驅(qū)動電流較大，單顆紅色LED時(shí)，需要串接電阻分壓，分擔(dān)芯片熱量。最好的辦法是兩顆紅色LED串接，提高亮度降低驅(qū)動電流，但是需要和設(shè)計(jì)面板顯示結(jié)構(gòu)相結(jié)合。
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