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最火LED显示屏设计及技术发展趋势

发布时间:2021-10-13 03:43:57 阅读: 来源:旋塞阀厂家

LED显示屏设计及技术发展趋势

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mA。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,并没有造成这类现象的缘由得到很好的应用,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。

创造出能满足塑料行业发展的新型材料和技术1) 输出恒流压差希望越低越好,通常维持在0.V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) 片间恒流目前误差±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扫描设手动调剂阀作为控制元件计中,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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