利用驱动芯片快速响应的优势 实现高画质的LED显示屏

前言
    现今LED显示屏运用越来越广，凡举金融证券、体育、交通讯息、广告传递等都可以看到它的足迹，也因为最近几年LED成本下降及亮度的提升再加上LED显示屏更具有耗电少、寿命长、视角大及响应速度快等优势；而且可以根据不同地点及需求订制相对应的尺寸，在市场上快速崛起成新一代的传播媒体宠儿，其条件更是其他大型显示设备无法比拟的。本文将进一步一一说明如何不变更电路设计，利用驱动芯片的快速响应优势来实现高画质的LED显示屏。

整体速度的提升- 更高的刷新频率与换帧频率
    LED是经由流过的电流来驱动的，而通过的脉冲宽度可以控制LED的亮度及灰度，简单来说若不考虑系统端的设计，刷新频率(refresh rate)是经由寻址时间(Tacc)及流过LED的电流速度所决定的；而换帧频率(frame rate)的提高除了系统的的支持外更需要更快的寻址时间，而寻址时间与传输的频率(DCLK)与寻址数有强烈的正相关。

例如：有一全彩户外显示屏其寻址数为768，若是使用不同的频率则整体的寻址时间也会不同
      工作频率为10Mhz -> 768X0.1us = 76.8us
      工作频率为30Mhz-> 768X0.033us = 25.6us                        两者的寻址时间相差3倍

而电流流过LED 的速度决定LED显示屏的刷新频率，举例说明若一LED显示屏其寻址数皆为768、工作频率为30Mhz、灰阶调整为8位(bits)、亮度调整皆为2位 (bits)、每子场的间隔时间为4us；传统驱动芯片其显示的脉冲宽度为250ns，而SnapDriveTM驱动芯片的脉冲宽度为50ns，两者可以达到的刷新频率有明显的差异 

A. 传统驱动芯片(脉冲宽度为250ns)
权重安排为 1/64, 1/32, 1/16, 1/8, 1/4, 1/2 ,1 ,2 ,4 ,8, 16,32
Tfr=25.6usx[6+63]+5x4us = 1786.4us
Fr = 559.7Hz

B. SnapDriveTM驱动芯片(脉冲宽度为50ns)
权重安排为 1/512,1/256, 1/128, 1/64, 1/32, 1/16, 1/8, 1/4, 1/2 ,1 ,2 ,4
Tfr=25.6usx[9+7]+8x4us=441.6us
Fr=2264.5Hz

显示灰阶度提升
        目前市场上一般通用的传统驱动芯片其OE响应时间约为250ns ，若以上述的例子来看其最高的灰阶为8位；亦即R,G,B各有256个灰阶度。其色彩为256X256X256 = 166777216 约1千六百万色。若想将灰阶度提高至14位亦即16384X16384X16384=4.39千亿色；两者之间的刷新频率亦会得到明显的差异

A. 传统驱动芯片(脉冲宽度为250ns)
权重安排为  1/64, 1/32, 1/16, 1/8, 1/4, 1/2 ,1 ,2 ,4 ,8, 16 ,32 ,64, 128, 256, 512, 1024, 2048
Tfr=25.6usx[6+4095]+5x4us = 105005.6us
Fr = 9.5 Hz

B. SnapDriveTM驱动芯片(脉冲宽度为25ns)
权重安排为 1/1024, 1/512, 1/256, 1/128, 1/64, 1/32, 1/16, 1/8, 1/4, 1/2 ,1 ,2 ,4 ,8, 16, 32, 64, 128
Tfr=25.6usx[10+255]+9x4us=6820us
Fr=146.6Hz

以下为台湾迅杰科技推出包含SnapDriveTM技术之驱动芯片测试条件及结果，藉图1及图3可以明显看出其驱动芯片在极小的OE脉冲宽度下其输出电流仍为线性输出，而传统驱动芯片则无法提供线性的输出。

测试条件：
Vcc=5V ,Iout=38.3mA,RL=47Ω,CL=13pF

失真率的降低
针对不同的输出电流斜率的驱动芯片，利用仿真软件(HSPICE2007)我们在失真率方面我们得到不同的结果
  
Vcc=5V ,Iout=38.3mA,RL=47Ω,CL=13pF



 
失真率
SnapDriveTM 驱动芯片
 
1%
传统驱动芯片
 
49 %
        表2：失真率比较表
 
 
仿真条件：传统驱动芯片： Ton:160ns, Tof:70ns
SnapDriveTM驱动芯片：Ton:15ns, Tof:15ns
Vin :5V , Iout=20mA , LED等效电路RL:52Ω,CL:10pf
OE 脉冲宽度为：250ns

解决LED 热的问题及增加LED的寿命
       如图5所示为50% Duty cycle的电流输出示意图，若在同一个时间内将出电流的脉冲平均打散，不但不影响输出电流及LED的亮度也可以避免LED长时间的点亮造成LED过热及寿命提早衰减的现象。

快速响应电路设计
      使用快速响应的驱动芯片虽然可以提高LED显示屏之灰阶度及刷新频率；不过根据电感效应的公式 ΔV= L •di/dt 因时间t变小；相对而言瞬间的电压变大所以容易产生突波。笔者在此列上几个电路设计上的改善方式供读者参考：
ΔV ：电压的变化量
L：电路上寄生之电感
di：对电流的微分
dt：对时间的微分

在电路设计上有几点需要特别注意：
1. PCB最好是4层板以上，将电源及地独立一层；走线部份越短越好。
2. VLED及VCC对地端加上一个大的稳压电容，建议CP1及CP2为1000~1500uF。
3. VLED与VCC分开为不同电源。
4. 可在频率输入端(Clock)加上RC电路，将其峰值降低，降低对电磁干扰的影响；建议Rt<22Ω、Ct<33pF。

      扫描屏上；建议在MOS的Gate端与74HC138之间串一个电阻，以避免VLED端的电感效应及MOS端寄生电容所产生的突波，造成74HC138烧毁；建议Rg<100Ω、Cg<47pF(电容部份可选择不加)。

结论
      藉由快速响应(SnapDriveTM )的驱动芯片不但可以提升整屏的灰阶显示及刷新频率、降低电流输出失真率，也由于传统驱动芯片由于电流的爬升及下降时间较长，在未达到设定电流时其非线性输出会影响LED的发光特性(波长)，容易造成显示屏色彩失真的现象。但由于传输及工作频率的提高对设计者而言除了在电路设计上要更加小心外，挑选高质量、高信赖度的驱动芯片更是不二法门。