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)計它們需要考慮的設(shè)計問題。

LED 驅(qū)動基礎(chǔ)

首先，我們要對比不同的LED驅(qū)動電路，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)時開始導(dǎo)通。導(dǎo)通時其正向電流通常會發(fā)光。根據(jù)這個基本知識可以得出圖1a中的第一種選項，不過這樣行不通。因為 LED 電流是其電壓偏置的指數(shù)函數(shù)(公式1)，LED 燈的光強度對該電壓非常敏感。大多數(shù)情況下，大電流條件通常會將原本長壽命的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的差異時就會跳變至1a。即使考慮實際rs值，真實LED器件在具有0.1v偏置差異時仍會出現(xiàn)10至20倍的差異。

       圖 1.對比三種LED驅(qū)動電路

支持流限電阻器的電壓源

現(xiàn)在我們來看看圖1b。添加一個限流電阻器rlimit來保護LED燈。由于有限流電阻器，因此該燈不會被燒壞。在視頻顯示器應(yīng)用領(lǐng)域，這種方法在控制LED光強度方面仍然不夠好。LED曲線和rlimit產(chǎn)生的負載曲線可決定其LED電流值。如紅色或藍色標(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燈在制造過程中會產(chǎn)生多少vf變化，LED都會傳導(dǎo)特定的電流值。LED燈的光強度與通過 pn 結(jié)點的電荷緊密相關(guān)，因此該恒流驅(qū)動器是從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。這也是選擇恒流法的另一個優(yōu)勢。圖2是LED驅(qū)動器的基本輸出級結(jié)構(gòu)。市場上很多LED驅(qū)動器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)動器ic的基本輸出配置

圖2是該討論的結(jié)果，即LED驅(qū)動器的基本輸出電路配置。

色彩驅(qū)動

到目前為止，我們已經(jīng)能夠確定如何驅(qū)動單個LED燈了。下一步是為視頻顯示系統(tǒng)實現(xiàn)全色彩光輸出。通過組合光的不同深淺紅綠藍三原色(rgb)，任何色彩都可生成。較為熟悉的示例是采用個人計算機(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個色階(每階8個二進制位)或更多，以顯示全彩色像素。對于LED顯示系統(tǒng)而言，也需要采用相同概念的色階色彩強度控制，以便在LED驅(qū)動器設(shè)計中實現(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)點的總電荷數(shù)可決定光強度，因此數(shù)字和模擬方法均可控制光強度。圖3是數(shù)字和模擬法中的50%灰階控制。在總體256個色階的示例中，該50%表明了一個有128個灰階的目標(biāo)。

       圖 3.數(shù)字和模擬的50%強度控制

LED 電流與色彩變化

這時候，需要考慮電流變化對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省D4是綠色LED燈的實例。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，波長可達到510nm。獲得綠色的最佳方法是盡量使燈的驅(qū)動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)字控制的另一個優(yōu)勢是便于以數(shù)字電路模塊的形式對LED驅(qū)動器ic實施控制。對于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。現(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16x16至64x64的像素陣列，不同的應(yīng)用有所不同。可將多個模塊組合在一起，構(gòu)成機械系統(tǒng)結(jié)構(gòu)或面板。LED顯示系統(tǒng)廠商通常提供各種面板。每個面板都有機械框架，可放置多個模塊。它包含一個或多個控制單元，用以提供電源分配、數(shù)據(jù)接口和處理器。在構(gòu)建體育場大屏幕或路邊廣告牌等顯示系統(tǒng)的現(xiàn)場，可安裝多塊面板構(gòu)成最終顯示屏。在施工現(xiàn)場，每塊面板的所有數(shù)據(jù)線和電源線都會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燈和一個大電源。設(shè)計系統(tǒng)時需要重點考慮LED燈的密度優(yōu)化問題。LED 燈的該密度稱為每個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別的精度，它就不會改善影像輸出質(zhì)量，而且會增加成本。人眼可識別的兩個單光源是在這兩點形成1個弧度的1/60(=1 弧分)時。

       圖 6.人眼可識別的分辨率

圖6是如何計算人眼可分辨像素間距dpp1。如公式3所示，其中l(wèi)為視距。

在最佳實踐中，dpp1可視為過大，對于高質(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像素間距來實現(xiàn)良好分辨率。另一個視覺實例如圖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。但保持一定的距離觀看時影像開始變得清晰，與觀看像素間距為5mm的影像(下)類似。這個實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比

靜態(tài)驅(qū)動器與時分復(fù)用驅(qū)動器

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

圖8 對比了靜態(tài)陽極驅(qū)動器系統(tǒng)與時分復(fù)用陽極驅(qū)動器系統(tǒng)。靜態(tài)陽極驅(qū)動器配置十分明確：一個LED驅(qū)動器ic驅(qū)動一個LED。在設(shè)計具有大量像素點的系統(tǒng)時，靜態(tài)陽極驅(qū)動器需要大量LED驅(qū)動器ic。相反，時分復(fù)用陽極驅(qū)動器系統(tǒng)讓多個LED燈共享一個ic，因而使用的LED驅(qū)動器ic數(shù)量較少。時分復(fù)用驅(qū)動器的權(quán)衡在于輸出LED光強度會因分時而降低。

在戶外顯示系統(tǒng)中，需要極強的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)動器。另一方面，在室內(nèi)系統(tǒng)中，時分復(fù)用陽極驅(qū)動器則是降低系統(tǒng)構(gòu)建成本的好方法。

時分復(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)動器與時分復(fù)用陽極驅(qū)動器

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)模擬電視攝像機拍攝另一個模擬電視屏幕時，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和電視屏幕掃描率引起。在拍攝LED屏幕的攝像機采用時分復(fù)用陽極驅(qū)動器時，也會出現(xiàn)相同的問題。應(yīng)用實例包括使用電視攝像機拍攝背景墻壁上由LED顯示器放大演員的舞臺影像或者用電視攝像機拍攝體育場中體育賽事比分牌或標(biāo)牌等。要避免這個問題，LED顯示器現(xiàn)在需要比攝像機系統(tǒng)運行得更快，特別是在專用LED顯示器市場。

       圖 9. 電視攝像機拍攝另一個電視屏幕引起的黑色條帶

為滿足更快運行這一要求，很多LED顯示系統(tǒng)都在一個幀周期內(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。每個幀重復(fù)“影像 x”兩次。因而本實例“幀刷新率”= 2 x“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)動器或 pwm 控制驅(qū)動器

為了滿足系統(tǒng)幀速率與刷新率的需求，需要在實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)動器，而第二種則是pwm控制驅(qū)動器。

圖11a是采用on/off控制ic的系統(tǒng)，具有每個位對應(yīng)于一個輸出的on/off寄存器。寄存器位的邏輯高可打開對應(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)，具有一個可參考時鐘計數(shù)器的灰階參考時鐘輸入端。另外，該ic還具有一組保存灰階邏輯代碼的寄存器。pwm 比較器可通過計數(shù)器和灰階 (gs)寄存器比較和生成pwm輸出模式。

對于這兩種類型的驅(qū)動器ic而言，兩種工作都是并列執(zhí)行的：

- 恒流驅(qū)動器模塊根據(jù)當(dāng)前顯示周期數(shù)據(jù)的輸入驅(qū)動其LED燈陣列;

- 并將下一個顯示周期的數(shù)據(jù)接收在移位寄存器中。

       圖 11.采用on/off控制ic和pwm控制ic的LED顯示系統(tǒng)

總結(jié)

首先介紹單個LED燈的驅(qū)動器電路，再討論詳細的LED燈物理特性、顯示系統(tǒng)的物理布局與結(jié)構(gòu)以及靜態(tài)及時分復(fù)用控制，進而得出完整的LED驅(qū)動器ic結(jié)構(gòu)。

在第2部分，我們將介紹影像處理控制器ic與LED驅(qū)動器ic之間的數(shù)據(jù)傳送，并舉出實例。另外還將探討與LED顯示驅(qū)動器ic有關(guān)的特性主題。