驅(qū)動(dòng)LED 顯示屏圖像質(zhì)量和可靠性的問(wèn)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(wèn)題。我們還將熟悉通常用于處理它們的技術(shù)和設(shè)計(jì)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(yáng)極柵極“浮動(dòng)”引起的不必要的照明效應(yīng)，可能發(fā)生在時(shí)分復(fù)用 LED 驅(qū)動(dòng)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(dòng)節(jié)點(diǎn)之間的電容電荷轉(zhuǎn)移。每次有正向電子流過(guò) PN 結(jié)。

這種現(xiàn)象最多的情況是對(duì)角線圖像。一個(gè)由陽(yáng)極浮動(dòng)引起的所謂“重影”的例子?，F(xiàn)代 LED 驅(qū)動(dòng)器 IC，例如TLC59283，采用所謂的“預(yù)充電 FET”電路來(lái)消除這些重影效應(yīng)。如前所述，重影的根本原因是 LED 陽(yáng)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(shí)間點(diǎn)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(dòng)器電路實(shí)際開(kāi)啟。

空白帶、黑色帶和增強(qiáng)型頻譜 PWM

LED 顯示屏設(shè)計(jì)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(shí)還面臨著其他幾個(gè)挑戰(zhàn)。最大的問(wèn)題之一是消除在相機(jī)上捕獲 LED 顯示屏圖像時(shí)可能出現(xiàn)的空白帶。這是由顯示器和相機(jī)之間的“慢速同步”引起的。這可以通過(guò)使用更快的幀刷新率 (FRR) 來(lái)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(shí)現(xiàn)足夠高的 FRR 以避免慢同步效應(yīng)變得越來(lái)越困難。

另一個(gè)問(wèn)題是當(dāng)相機(jī)在其某些 LED 處于關(guān)閉狀態(tài)時(shí)捕獲顯示圖像時(shí)出現(xiàn)的黑帶。這可以通過(guò)在相機(jī)掃描期間保持 LED 燈打開(kāi)來(lái)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(lái)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(zhǎng)度變得更長(zhǎng)，黑帶成為一個(gè)更嚴(yán)重的問(wèn)題。例如，最新的 16 位 PWM 控制使用 25 MHz 參考時(shí)鐘需要 2.6 ms = 216 位 / 25 MHz，即 381 Hz 的幀刷新率。這里，總共 216 個(gè)時(shí)鐘周期的 128 灰度代碼產(chǎn)生 5.1 us (= 128 / 25 MHz) 的開(kāi)啟時(shí)間，以及 2.6 ms 減去 5.1 us 的關(guān)閉時(shí)間。攝像機(jī)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(qiáng)頻譜 PWM (ES-PWM) 的技術(shù)來(lái)減輕黑帶，這是一種 PWM 生成方法，它將一個(gè)長(zhǎng) 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(gè) ON 周期的時(shí)鐘分為 16 個(gè)周期，每個(gè)周期有 8 個(gè)時(shí)鐘，則產(chǎn)生 6 kHz (= 381 Hz x 16) 的有效 FRR。在 6 kHz 時(shí)，刷新率足夠高，可以避免大多數(shù)相機(jī)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(gè) 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(gè)部分，ES-PWM 電路會(huì)生成 6 個(gè)時(shí)鐘中的 12 個(gè)和 7 個(gè)時(shí)鐘中的 4 個(gè)，以保持總灰度為 100(= 6 個(gè)時(shí)鐘 x 12 + 7 個(gè)時(shí)鐘 x 4) .

檢測(cè) LED 開(kāi)路、LED 短路和輸出泄漏情況

許多 LED 顯示系統(tǒng)是遠(yuǎn)程控制的，因此操作員很難檢測(cè)到任何故障。因?yàn)槿搜蹖?duì)持續(xù)打開(kāi)或關(guān)閉的故障燈很敏感，所以即使是幾個(gè)燈的故障也會(huì)降低觀看者的視頻體驗(yàn)質(zhì)量。因此，許多顯示器實(shí)現(xiàn)了檢測(cè) LED 開(kāi)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(kāi)路檢測(cè)器 (LOD) 功能可監(jiān)控 LED 燈的開(kāi)路故障。正常情況下，驅(qū)動(dòng)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_(kāi)路時(shí)，恒流電路將其輸出端驅(qū)動(dòng)到幾乎為零的電壓。LOD 功能檢測(cè)到這些明顯的電壓變化并生成錯(cuò)誤信號(hào)。

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

輸出泄漏檢測(cè) (OLD) 與前兩個(gè)安全功能略有不同。它旨在檢測(cè)當(dāng) LED 被迫進(jìn)入其 ON 狀態(tài)時(shí)出現(xiàn)的情況，因?yàn)樗樾夹纬闪藦妮敵龆俗拥浇拥氐膫鲗?dǎo)路徑。發(fā)生這種情況時(shí)，LED 會(huì)打開(kāi)——無(wú)論其恒流電路驅(qū)動(dòng)器的輸出是什么。OLD 元件在其輸出端子節(jié)點(diǎn)處產(chǎn)生少量電流，用于通過(guò)監(jiān)測(cè)端子電壓來(lái)檢測(cè)任何泄漏路徑。

低灰度增強(qiáng)

人眼對(duì)較暗的光源比對(duì)較亮的光更敏感。換句話說(shuō)，它識(shí)別出兩個(gè)暗光源中的哪一個(gè)發(fā)出更多的光子。然而，當(dāng)人眼被來(lái)自兩個(gè)不同來(lái)源的強(qiáng)光所飽和時(shí)，它就無(wú)法區(qū)分差異。

對(duì)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(duì)于 LED 顯示系統(tǒng)，軟件編程可以通過(guò) ON/OFF 和 PWM 控制驅(qū)動(dòng)器實(shí)現(xiàn)伽馬校正功能。

最近的 LED 驅(qū)動(dòng)器，如 TLC5958，在低灰度處理方面集成了更主動(dòng)的改進(jìn)。一個(gè)常見(jiàn)的問(wèn)題是紅色 LED 燈在輸出深白色圖像時(shí)比綠色和藍(lán)色強(qiáng)，即使紅色、綠色和藍(lán)色都具有相同的低灰度數(shù)據(jù)。這是因?yàn)榧t色 LED 燈由于其較低的正向電壓而比綠色和藍(lán)色燈打開(kāi)的時(shí)間更長(zhǎng)。低灰度增強(qiáng) (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(wèn)題，LED 電流 PWM 脈沖需要非常短的開(kāi)啟和關(guān)閉時(shí)間，或上升和下降時(shí)間，TR 和 TF。如果 TR 和 TF 很慢，低灰度問(wèn)題會(huì)變得更糟。

“一線”問(wèn)題和集成 SRAM

如前所述，ES-PWM 控制加快了 FFR。通過(guò)使用帶有時(shí)分復(fù)用陽(yáng)極控制的 ES-PWM，時(shí)分復(fù)用的第一行變得更暗。有兩條線看起來(lái)比其他線更紅(非常頂部和中間)。所有其他線條看起來(lái)更白。當(dāng)綠燈和藍(lán)燈未完全打開(kāi)時(shí)會(huì)導(dǎo)致此第一行問(wèn)題。

通過(guò)集成靜態(tài) RAM (SRAM) 位來(lái)存儲(chǔ)整個(gè)幀的灰度 PWM 代碼，可以找到解決第一行問(wèn)題的根本原因，從而避免數(shù)據(jù)傳輸時(shí)滯。例如，TLC5958 在片上集成了 48 k 位 SRAM，可實(shí)現(xiàn)高達(dá) 32 次的多路復(fù)用。

顯示系統(tǒng)和驅(qū)動(dòng)器 IC 的設(shè)計(jì)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(gè) 48 輸出 LED 驅(qū)動(dòng)器 IC，每個(gè)控制 25 mA。總電流為 9.6A。LED 顯示系統(tǒng)最大的問(wèn)題是，這 9.6A 的電流以非常高的頻率持續(xù)打開(kāi)和關(guān)閉，具有快速的 TR 和 TF。

許多 LED 驅(qū)動(dòng)器 IC 具有降噪功能，例如每個(gè)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(hào)，因此噪聲管理是項(xiàng)目早期的一個(gè)重要設(shè)計(jì)因素。

熱錯(cuò)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(huì)轉(zhuǎn)化為大量熱量。這種過(guò)熱會(huì)導(dǎo)致熱關(guān)斷并意外停止 LED 工作。當(dāng)整個(gè)顯示器停止工作時(shí)，這是一個(gè)主要問(wèn)題，但觀眾可能會(huì)認(rèn)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(wèn)題。因此，許多 LED 驅(qū)動(dòng)器 IC 不具備熱關(guān)斷功能。相反，它們帶有熱錯(cuò)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(cè)器的電路生成。當(dāng)溫度變熱時(shí)，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(huì)通過(guò)降低屏幕亮度、顯示較暗的圖像或簡(jiǎn)單地停止系統(tǒng)片刻來(lái)冷卻系統(tǒng)。

48 路輸出驅(qū)動(dòng)器

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