驅(qū)動LED 顯示屏圖像質(zhì)量和可靠性的問題

本文我們將探討一些影響 LED 顯示屏圖像質(zhì)量和可靠性的問題。我們還將熟悉通常用于處理它們的技術(shù)和設(shè)計技巧。

防重影/重影消除/預(yù)充電 FET

重影、尖峰噪聲或幻象噪聲是由陽極柵極“浮動”引起的不必要的照明效應(yīng)，可能發(fā)生在時分復(fù)用 LED 驅(qū)動器中。由于 LED 燈(二極管的 PN 結(jié))具有較高水平的電容，它們的剩余電荷可以不斷觸發(fā)浮動節(jié)點之間的電容電荷轉(zhuǎn)移。每次有正向電子流過 PN 結(jié)。

這種現(xiàn)象最多的情況是對角線圖像。一個由陽極浮動引起的所謂“重影”的例子?，F(xiàn)代 LED 驅(qū)動器 IC，例如TLC59283，采用所謂的“預(yù)充電 FET”電路來消除這些重影效應(yīng)。如前所述，重影的根本原因是 LED 陽極上的雜散電荷正向偏置其 PN 結(jié)并導(dǎo)致其在不需要的時間點亮。這些預(yù)充電 FET 旨在確保 LED 燈保持反向偏置且不亮，除非驅(qū)動器電路實際開啟。

空白帶、黑色帶和增強型頻譜 PWM

LED 顯示屏設(shè)計師在努力生產(chǎn)更大的產(chǎn)品以提供可能有害的圖像質(zhì)量時還面臨著其他幾個挑戰(zhàn)。最大的問題之一是消除在相機上捕獲 LED 顯示屏圖像時可能出現(xiàn)的空白帶。這是由顯示器和相機之間的“慢速同步”引起的。這可以通過使用更快的幀刷新率 (FRR) 來避免。不幸的是，更大的顯示器需要更快的 FRR。因此，隨著顯示器尺寸的增加，實現(xiàn)足夠高的 FRR 以避免慢同步效應(yīng)變得越來越困難。

另一個問題是當(dāng)相機在其某些 LED 處于關(guān)閉狀態(tài)時捕獲顯示圖像時出現(xiàn)的黑帶。這可以通過在相機掃描期間保持 LED 燈打開來避免，但正如以下示例所示，這并不總是可行的。

隨著 PWM 控制 LED IC 越來越多地控制更大、更高質(zhì)量的顯示器，其中 PWM 操作周期的長度變得更長，黑帶成為一個更嚴重的問題。例如，最新的 16 位 PWM 控制使用 25 MHz 參考時鐘需要 2.6 ms = 216 位 / 25 MHz，即 381 Hz 的幀刷新率。這里，總共 216 個時鐘周期的 128 灰度代碼產(chǎn)生 5.1 us (= 128 / 25 MHz) 的開啟時間，以及 2.6 ms 減去 5.1 us 的關(guān)閉時間。攝像機在這 2.6 毫秒期間捕獲處于關(guān)閉狀態(tài)的 LED 燈。

可以使用一種稱為增強頻譜 PWM (ES-PWM) 的技術(shù)來減輕黑帶，這是一種 PWM 生成方法，它將一個長 PWM 周期劃分為較短的子 PWM 周期。在上面的示例中，如果將 128 個 ON 周期的時鐘分為 16 個周期，每個周期有 8 個時鐘，則產(chǎn)生 6 kHz (= 381 Hz x 16) 的有效 FRR。在 6 kHz 時，刷新率足夠高，可以避免大多數(shù)相機出現(xiàn)黑帶。

原始 PWM 代碼不能總是等分。在這種情況下，ES PWM 功能將一個 ON 周期分成四舍五入的整數(shù)。例如，要將 100 的灰度代碼分成 16 個部分，ES-PWM 電路會生成 6 個時鐘中的 12 個和 7 個時鐘中的 4 個，以保持總灰度為 100(= 6 個時鐘 x 12 + 7 個時鐘 x 4) .

檢測 LED 開路、LED 短路和輸出泄漏情況

許多 LED 顯示系統(tǒng)是遠程控制的，因此操作員很難檢測到任何故障。因為人眼對持續(xù)打開或關(guān)閉的故障燈很敏感，所以即使是幾個燈的故障也會降低觀看者的視頻體驗質(zhì)量。因此，許多顯示器實現(xiàn)了檢測 LED 開路和短路以及可能導(dǎo)致 LED 故障的輸出泄漏情況的方法。

LED 開路檢測器 (LOD) 功能可監(jiān)控 LED 燈的開路故障。正常情況下，驅(qū)動IC的恒流輸出端保持在恒流電路所需的余量電壓。當(dāng)恒流電路的LED發(fā)生故障并變?yōu)殚_路時，恒流電路將其輸出端驅(qū)動到幾乎為零的電壓。LOD 功能檢測到這些明顯的電壓變化并生成錯誤信號。

類似地，LED 短路檢測 (LSD) 監(jiān)控 LED 燈的狀況，指示 LED 和/或其驅(qū)動器與其陽極的電源電壓短路。當(dāng) LED 在短路模式下失效時，其輸出端子從其正常偏置狀態(tài)恢復(fù)到施加到陽極的全電壓。LSD 功能區(qū)分此電壓差并生成警報信號。

輸出泄漏檢測 (OLD) 與前兩個安全功能略有不同。它旨在檢測當(dāng) LED 被迫進入其 ON 狀態(tài)時出現(xiàn)的情況，因為碎屑形成了從輸出端子到接地的傳導(dǎo)路徑。發(fā)生這種情況時，LED 會打開——無論其恒流電路驅(qū)動器的輸出是什么。OLD 元件在其輸出端子節(jié)點處產(chǎn)生少量電流，用于通過監(jiān)測端子電壓來檢測任何泄漏路徑。

低灰度增強

人眼對較暗的光源比對較亮的光更敏感。換句話說，它識別出兩個暗光源中的哪一個發(fā)出更多的光子。然而，當(dāng)人眼被來自兩個不同來源的強光所飽和時，它就無法區(qū)分差異。

對于處理視頻圖像，低灰度數(shù)據(jù)需要更多的關(guān)注。這里廣泛使用伽馬校正等技術(shù)。對于 LED 顯示系統(tǒng)，軟件編程可以通過 ON/OFF 和 PWM 控制驅(qū)動器實現(xiàn)伽馬校正功能。

最近的 LED 驅(qū)動器，如 TLC5958，在低灰度處理方面集成了更主動的改進。一個常見的問題是紅色 LED 燈在輸出深白色圖像時比綠色和藍色強，即使紅色、綠色和藍色都具有相同的低灰度數(shù)據(jù)。這是因為紅色 LED 燈由于其較低的正向電壓而比綠色和藍色燈打開的時間更長。低灰度增強 (LGSE) 功能可以糾正 IC 內(nèi)部的這種差異。

關(guān)于這種低灰度問題，LED 電流 PWM 脈沖需要非常短的開啟和關(guān)閉時間，或上升和下降時間，TR 和 TF。如果 TR 和 TF 很慢，低灰度問題會變得更糟。

“一線”問題和集成 SRAM

如前所述，ES-PWM 控制加快了 FFR。通過使用帶有時分復(fù)用陽極控制的 ES-PWM，時分復(fù)用的第一行變得更暗。有兩條線看起來比其他線更紅(非常頂部和中間)。所有其他線條看起來更白。當(dāng)綠燈和藍燈未完全打開時會導(dǎo)致此第一行問題。

通過集成靜態(tài) RAM (SRAM) 位來存儲整個幀的灰度 PWM 代碼，可以找到解決第一行問題的根本原因，從而避免數(shù)據(jù)傳輸時滯。例如，TLC5958 在片上集成了 48 k 位 SRAM，可實現(xiàn)高達 32 次的多路復(fù)用。

顯示系統(tǒng)和驅(qū)動器 IC 的設(shè)計技巧

浪涌電流控制

通常，LED 顯示系統(tǒng)處理大量電流。例如，8 個 48 輸出 LED 驅(qū)動器 IC，每個控制 25 mA。總電流為 9.6A。LED 顯示系統(tǒng)最大的問題是，這 9.6A 的電流以非常高的頻率持續(xù)打開和關(guān)閉，具有快速的 TR 和 TF。

許多 LED 驅(qū)動器 IC 具有降噪功能，例如每個輸出之間的延遲。由于系統(tǒng)在其 PCB 上處理 10 MHz 階的數(shù)字信號，因此噪聲管理是項目早期的一個重要設(shè)計因素。

熱錯誤標(biāo)志/預(yù)熱警告

如前所述，LED 顯示系統(tǒng)處理大量電流——這會轉(zhuǎn)化為大量熱量。這種過熱會導(dǎo)致熱關(guān)斷并意外停止 LED 工作。當(dāng)整個顯示器停止工作時，這是一個主要問題，但觀眾可能會認為系統(tǒng)只是關(guān)閉了。然而，在大多數(shù)情況下，只有部分模塊停止工作，查看者可以看到有問題。因此，許多 LED 驅(qū)動器 IC 不具備熱關(guān)斷功能。相反，它們帶有熱錯誤標(biāo)志 (TEF) 或預(yù)熱警告標(biāo)志 (PWF) 功能。

這些標(biāo)志由類似于熱關(guān)斷檢測器的電路生成。當(dāng)溫度變熱時，不是停止 IC，而是將高溫條件標(biāo)志發(fā)送到圖像處理控制器。收到標(biāo)志后，控制器會通過降低屏幕亮度、顯示較暗的圖像或簡單地停止系統(tǒng)片刻來冷卻系統(tǒng)。

48 路輸出驅(qū)動器

PCB 布局在典型的 LED 顯示模塊設(shè)計中可能是噩夢般的。像 TLC5958 這樣的 48 輸出驅(qū)動器可以簡化您的 PCB 設(shè)計。