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LED顯示屏的灰階度
灰階度就是顯示屏上每一顆LED亮度的分辨率，舉例來說，4bit灰階度表示LED有16階的亮度變化。而LED驅(qū)動芯片的灰階度控制，實行方式如圖1所示。LED亮度的灰階度是由驅(qū)動芯片上的OE寬度與SDI來控制，以圖1中的第一個LED要顯示的灰階度5為例，SDI必須在OE寬度為1和4打開輸出開關(guān)，以得到整體的LED顯示灰階度為5。而灰階度為9、4與11則以此類推，以不同的SDI和OE寬度的排列組合得到不同的LED灰階度，也就會顯示出不同的LED亮度變化。除此之外，OE的單位寬度愈短，完成一個灰階度變化的周期也就愈短，也就是單位時間內(nèi)，所能得到的刷新率也就愈高。
最短OE脈寬與高刷新率的關(guān)系
驅(qū)動芯片中OE的最短脈沖寬度及反應(yīng)時間(tr/tf)決定了灰階度的高低，所謂最短OE脈寬就是在能夠維持所有信道輸出電流線性度的條件下，OE可打開的有效寬度。愈小的OE脈寬，就能產(chǎn)出愈高的輸出色階，也就是擁有愈快速的輸出電流響應(yīng)，刷新率及輸出灰階度也就愈高。其中刷新率與輸出灰階度與OE最短脈沖寬度、系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸速度、串接芯片個數(shù)與芯片輸出信道數(shù)有關(guān)，如圖2如示，列出參考公式如下:
Frefresh : 刷新率(Hz)
根據(jù)上列參考公式，如果單一控制器有8個輸出口，帶截面積為64×64單色屏，所需要的串接芯片個數(shù)NIC=32，輸出灰階度設(shè)為12位(4,096級)，如果采用具備16個輸出信道、數(shù)據(jù)傳輸速度為20MHz和OE最短脈沖寬度為300ns的驅(qū)動芯片，代入計算可得到刷新率有723Hz，但如果輸出灰階度想提高為14位(4,096級)，刷新率則是下降至196Hz，如果輸出灰階度想提高到16位(65,536級)，刷新率則僅有50Hz，而一般系統(tǒng)輸入的畫面更新率至少60Hz，因此如此低的刷新率已無法供應(yīng)一般顯示屏系統(tǒng)的需求。
在上述情況中，如果想提高輸出灰階度，同時又想提高刷新率，可以選擇較小OE脈沖寬度的驅(qū)動芯片。如果采用OE最短脈沖寬度為50ns的芯片，即使數(shù)據(jù)傳輸速度為10MHz，輸出灰階度提高為16位(65,536級)，刷新率仍可輸出287Hz，在輸出灰階度設(shè)為14位(4,096級)時，刷新率可提升到1001Hz，在輸出灰階度設(shè)回為12位(4,096級)時，刷新率更可大幅提高到1,953Hz。所以愈小的OE脈沖寬度，可提升輸出的色階和畫面的刷新率，高輸出色階則提供了更豐富多彩的LED顯示屏圖像，而高刷新率提供了LED顯示屏流暢無閃爍的畫面播放。
最短OE脈寬對輸出電流突波的影響
圖3 較大0E脈沖寬度的輸出電流波形
OE脈沖寬度的大小是影響輸出電流突波的關(guān)鍵因素，如圖3所示，OE脈沖寬度大于500ns時，輸出電流的上升時間為37.99ns，并無產(chǎn)生任何突波。不過如果想要得到較高輸出的色階和較快的畫面刷新率必須降低OE脈沖寬度，但較小的OE脈沖寬度需要較快的上升/下降時間(tr/tf)來維持脈沖寬度的完整性，但較快的tr/tf會使得一般LED驅(qū)動芯片的輸出電流產(chǎn)生突波，如圖4所示，OE脈沖寬度小于100ns時，輸出電流的上升時間為8.2ns，由法拉第定律知VL=L(dI/dt)，可明顯地可以看出輸出電流在關(guān)閉時產(chǎn)生嚴重的突波現(xiàn)象，而輸出電流的突波不僅可能擊穿驅(qū)動芯片的輸出信道，造成芯片的損壞，也使得整個LED顯示屏電磁波干擾的現(xiàn)象變得嚴重，顯示屏畫面會產(chǎn)生抖動甚至是系統(tǒng)的毀損。
圖4 較小OE脈沖寬度產(chǎn)生嚴重突波
電流突波的改善
想要改善上述LED驅(qū)動芯片輸出電流的突波，可以通過降低輸出信道的開關(guān)速度，以及錯開輸出通道間的開關(guān)時間這兩種設(shè)計方式來進行。所謂輸出信道的開關(guān)速度，也就是控制輸出通道的Slew-rate，輸出電流的上升/下降時間(tr/tf)愈長，輸出電流上升/下降的波形就愈平緩，也就愈能抑制電流突波的現(xiàn)象，降低電磁波干擾。但tr/tf過大會產(chǎn)生扭曲的波形，影響輸出電流的反應(yīng)速度，所以LED驅(qū)動芯片必須有能力在輸出信道的開關(guān)速度tr/tf和電流突波之間取得一個最佳的平衡。
另外，錯開輸出通道間的開關(guān)時間也可以改善LED驅(qū)動芯片的輸出電流突波，也就是藉由輸出通道不在同一瞬間開啟與關(guān)閉來降低電源在線的瞬間電流。如圖5所示，左側(cè)的4個輸出通道OUT0~OUT3在同一瞬間同時開啟，結(jié)果造成一個很大的突波電流，反觀右側(cè)的4個通道分別錯開輸出，電源在線的瞬間電流被平均分散，降低了尖峰電流，也改善了輸出電流的突波和電磁波干擾的問題，而圖6為聚積LED驅(qū)動芯片的實際測量錯開輸出通道間的開關(guān)時間波型圖，輸出通道依次先后開啟，相鄰兩通道大約有15ns的延遲時間。
圖5 錯開輸出通道間的開關(guān)時間
高端顯示屏的需求
要達到高檔顯示屏的需求，除了要有高的刷新率，使LED顯示屏能流暢無閃爍地播放畫面，也需要具備高輸出色階的能力，來達到更豐富多彩的LED顯示屏圖像。上述兩者需求可以通過選擇具有較短OE脈沖寬度的LED驅(qū)動器來提高刷新率及輸出色階，但使用外部的灰階度控制還是會受到系統(tǒng)傳輸速度和頻寬限制的影響，而降低刷新率與輸出色階。另一種選擇則是通過內(nèi)建PWM控制的LED驅(qū)動芯片，則可以較小的數(shù)據(jù)傳輸量來提高傳輸速度，達到提升刷新率與輸出色階的效果。具有較短OE脈沖寬度的LED驅(qū)動器，可參考聚積科技的MBI5036，而內(nèi)建PWM控制的LED驅(qū)動芯片，則可參考聚積科技的MBI5042。
圖6 聚集LED驅(qū)動芯片實際量測錯開輸出通道間的開關(guān)時間波形圖
參考文獻：
[1] 聚積科技MBI5036 Preliminary Datasheet V2.00
[2] 聚積科技MBI5042 Preliminary Datasheet V1.00
[3] 聚積科技MBI5040 Preliminary Datasheet
[4]LED屏幕驅(qū)動技術(shù)中的奧秘: 交流響應(yīng)[OL].
[5] LED點陣顯示屏的特點及掃描驅(qū)動方案[OL].
作者：臺灣聚積科技股份有限公司 技術(shù)市場部 產(chǎn)品企劃工程師 林信宏
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