前言

我們在日常生活中隨處可見的LED發光二極管不再是什么新鮮科技，LED在多個細分市場上的強勁的增長勢頭已是既定事實。

廣告顯示屏或數字標牌是LED應用最廣泛的領域之一。從單色顯示屏到全彩顯示屏，LED解決方案被廣泛用于市場需求和復雜程度不同的路標指示牌、廣告顯示屏、戶內外視頻顯示屏等。

本文主要論述全彩LED視頻顯示屏的主要技術要求，以及如何實現所需的性能。

全彩LED視頻顯示屏

全彩LED視頻顯示屏是能夠以數百萬種顏色顯示影像和動畫的顯示屏。LED顯示屏應用場景包括體育場、建筑外觀、購物中心、電視演播室。

大型LED顯示屏被用于播放廣告和資訊，重播體育賽事或音樂會。

圖1 是LED顯示屏結構簡圖。



圖1：LED全彩視頻顯示屏簡圖

不同類型的視頻信源提供的視頻輸入信號經過處理后被送入LED顯示屏。

整個顯示屏通常由若干個正方形或矩形的點陣組成，每個點陣又由若干個像素組成。每個像素由RGB (紅、綠、藍)LED燈管組成，通過混合這些LED的燈光顏色，就可產生所需的像素信息。LED驅動器相當于被處理后的視頻數據與RGB LED發出的彩色燈光之間的接口（圖像就是由這些彩色光線構成的）。

從大型LED視頻顯示屏的目標應用考慮，我們很容易意識到畫質所扮演的重要作用。

這個概念包含幾方面的內容:

原始圖像的信號質量以及數據處理能力是取得良好畫質的前提條件。

顯示屏的大小、分辨率高低、像素間距和LED選擇是決定人眼感受到的畫質的關鍵參數。

需要選擇一個適合的LED驅動器，能夠把處理后的圖像數據轉換成所需的彩色和動畫效果。

鑒于本文的目的是描述LED顯示屏的LED驅動器解決方案，我們將在以下的章節重點介紹上面提到三方面內容的最后一點。

LED顯示屏對LED驅動器的要求

在彩色和動畫方面，為取得優異的畫質，需要整合多種不同的功能：高幀率、高刷新率、顏色還原精度等。

不過，顯示屏的質量不僅指圖像本身，還指解決方案的整體質量，例如，抗干擾性和可靠性。

因此，所有的彩色LED顯示屏需要選擇技術精密的LED驅動器：

良好的顯色性取決于每個RGB（以及每個顏色）的有效亮度:有效亮度越高，顯示的顏色越豐富。合理而精細地控制亮度需要利用PWM調光技術控制大量的亮度。

高幀率和高刷新率需要高速率地處理大量數據。LED驅動器可利用高頻串口和靈活的數據格式管理功能滿足這些要求。

一支或多支LED燈管失效會影響像素顏色的精度，危及影像的整體視覺效果，影響系統的畫質。讓顯示屏保持理想視覺效果需要一個可靠的LED失效條件檢測方法。

全彩視頻顯示屏LED驅動器解決方案         

意法半導體擁有各種顯示器和數字標牌LED驅動器產品，其中STP1612PW05 (見圖 2 )是意法半導體為全彩LED視頻顯示屏專門研制的LED驅動器。

這款產品是一個16通道LED驅動器，內置一個高頻串行數據接口。每路通道的最大輸出電流為60mA，可以通過一個外部電阻器調節輸出電流，使用一個8位增益寄存器可以精確調節256級灰度。

在更低的電流下提高電流精度(通道之間典型值 ± 1.5% )符合LED技術的發光效率改進要求。實際上，高能效LED的問世讓顯示屏制造商能夠使用更低的電流LED驅動器取得相同的亮度。

該產品為每路輸出通道配備了獨立的可調PWM亮度控制功能。眾所周知的PWM調光功能在LED色彩保護方面的優勢以及4096（12位）或65536（16位）級可調亮度，最終可使色差和畫質得到明顯改進。

此外，為進一步提升調光控制功能，該產品還采用了Scrambled PWM模式。PWM總周期基本上覆蓋了很多刷新周期，效果就是像提高調光頻率而保持調光分辨率不變，從而降低畫面閃動。

STP1612PW05內置串行接口符合顯示屏的高速數據速率和數據格式靈活性要求：數據發送時鐘頻率可高達30MHz，采用16x16位格式（若亮度選擇4096級，數據格式為6x12位)或壓縮度更高的256位格式。

正如前文提到的，一個抗干擾性強且可靠的LED驅動器可大幅提升系統的總體質量。

當發現失效的LED燈管（開路或短路）時，STP1612PW05 會把檢測結果通過串行接口送到微控制器，從而避免相關像素的顏色變化或關閉，保護圖像的一致性。



圖 SEQ Figure* ARABIC 2 ：STP1612PW05結構簡圖

在一幀視頻圖像開始時所有的LED燈管同時導通，這會產生上升斜率很大的涌流，這意味著需要很大的輸入電容，寄生通道會產生振蕩，系統產生噪聲。把四路連續輸出組成一組（第1組OUT0、OUT1、OUT2和OUT3；第2組從OUT4到OUT7；按照這個順序排列下去)，每組之間連續延時40ns，使輸出通道的導通時間錯開，這樣可以大幅降低涌流。 

因為任何原因（線路斷開）導致PWCLK時鐘信號不存在（PWM計數器時鐘信號，用于進行PWM調光控制），這會讓顯示屏上的所有LED無限期地導通。

除影響圖像正確顯示外，這種意外事件還會燒毀或損壞LED燈管。STP1612PW05內置可以激活PWM時鐘超時斷開的保護功能：當PWCLK信號消失1秒以上時，信號發生器將被強制關閉。

應用示例

實現目標亮度的LED正向電壓與可設置的電流隨著LED顏色不同而變化：在紅光、綠光和藍光三種顏色LED中，紅光LED的正向電壓最低，藍光LED的驅動電流最低。因此，建議每種燈光顏色使用不同的驅動器。

圖3 描述了一個采用STP1612PW05實現的應用示例。



圖  SEQ Figure*ARABIC 3：通過STP1612PW05驅動一個全彩LED顯示屏點陣的設計簡圖

每個顯示屏點陣是由16個像素組成，每個像素是由4支彩色LED燈管（1支紅的、1支藍的、2支綠的）組成。

16支相同顏色的LED由一顆STP1612PW05驅動。

LED電源電壓(V_LED)的選擇是在幾個通常是對立的需求之間的一種平衡考量。

V_LED 電壓應該足夠高，使LED能夠保持正確的通態，但是應最大限度地降低LED驅動器的電流發生器的電壓降，否則會引起無用的功耗，并導致芯片和系統過熱。

顯然，紅光 、綠光和藍光共用一個V_LED電壓并不是最佳的解決方案。理想的解決方案是優化LED電源電壓，把LED燈管的電壓軌分開可以取得理想的效果。

這需要合理地驅動所有的LED燈管，同時節省電能。

結論

全彩LED視頻顯示屏的高質量要求給設計人員選擇適合的LED驅動器選帶來新的挑戰。

卓越的顏色還原性能和視頻失真最小化是這些應用的基本要求。

意法半導體專門為全彩視頻顯示屏定制的LED驅動器是一個高質量的解決方案，能夠滿足全彩視頻顯示屏的技術要求。


參考文獻


[1]  STP1612PW05 Datasheet, STMicroelectronics

[2] UM0882, User Manual STEVAL-ILL028V1 LED Dimmer board, STMicroelectronics