雙行雙穩(wěn)態(tài)LED顯示單元的設(shè)計(jì)與研究

摘要：為彌補(bǔ)傳統(tǒng)掃描驅(qū)動(dòng)方式所引起的主現(xiàn)視覺亮度下降的缺陷，幾乎所有高端室外LED顯示屏均采用了靜態(tài)鎖存的驅(qū)動(dòng)方法，但這又使驅(qū)動(dòng)電路的規(guī)模大大增加。為了解決此問(wèn)題，文章從“塔爾博特-普拉竇定律”著手，將光學(xué)雙穩(wěn)態(tài)特性引入LED顯示單元，通過(guò)提高一個(gè)掃描周期內(nèi)LED顯示單元的占空比提高LED顯示屏的亮度，研制出了一種雙行雙穩(wěn)態(tài)LED顯示屏。通過(guò)實(shí)際測(cè)試，證明該顯示屏在掃描驅(qū)動(dòng)方式下具有等同于靜態(tài)鎖存驅(qū)動(dòng)的LED屏的亮度表現(xiàn)，并大大提高了LED的使用壽命，而且其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，外圍電路與傳統(tǒng)器件完全兼客，易于使用和推廣。
關(guān)鍵詞：雙穩(wěn)態(tài)；發(fā)先二極管；亮度；行反相掃描

    現(xiàn)有LED顯示屏出于簡(jiǎn)化驅(qū)動(dòng)電路的考慮，幾乎都采用了掃描驅(qū)動(dòng)方式，在一個(gè)掃描周期當(dāng)中，各LED所發(fā)出的變化的光亮度根據(jù)“塔爾博特-普拉竇定律”平均到整個(gè)掃描周期當(dāng)中，導(dǎo)致顯示屏的主觀視覺亮度下降，使得LED顯示屏在戶外使用時(shí)出現(xiàn)發(fā)光亮度不足的問(wèn)題。到目前為止，解決LED顯示屏亮度不足的方法基本局限于以下3種：
    1)單純地提高驅(qū)動(dòng)脈沖電壓，增加LED器件的瞬時(shí)發(fā)光亮度，但這將縮短發(fā)光器件的使用壽命，并且能量效率較低；
    2)不斷研制和應(yīng)用高亮度甚至超高亮度LED器件；
    3)通過(guò)縮短掃描周期或采用靜態(tài)鎖存方式驅(qū)動(dòng)來(lái)提升顯示屏亮度。尤其是在室外屏的制造中，高端產(chǎn)品均采用靜態(tài)鎖存驅(qū)動(dòng)，在要求不高的場(chǎng)合則采用縮短掃描周期的方式。對(duì)于一個(gè)大規(guī)模的顯示屏來(lái)說(shuō)，無(wú)論縮短掃描周期還是采用靜態(tài)鎖存驅(qū)動(dòng)，其后果都是驅(qū)動(dòng)電路規(guī)模的顯著增加。
    本文從“塔爾博特-普拉竇定律”入手，將光學(xué)雙穩(wěn)態(tài)特性引入LED顯示單元電路，研制了一種雙穩(wěn)態(tài)LED單元組成的雙穩(wěn)態(tài)LED屏。經(jīng)實(shí)際測(cè)試證明該顯示屏在掃描驅(qū)動(dòng)方式下具有等同于靜態(tài)鎖存驅(qū)動(dòng)的LED屏的亮度表現(xiàn)，并且其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，外圍電路與傳統(tǒng)器件完全兼容，易于使用和推廣。

1 雙行雙穩(wěn)態(tài)LED顯示單元的設(shè)計(jì)
1．1 雙行雙穩(wěn)態(tài)LED電路結(jié)構(gòu)及工作原理
    雙行雙穩(wěn)態(tài)LED單元電路如圖1所示，它把觸發(fā)這個(gè)功能由端口V1和V2來(lái)完成，而關(guān)斷、保持這兩個(gè)功能由端口Vcc來(lái)完成。下面具體說(shuō)明雙行驅(qū)動(dòng)LED單元電路的工作原理。

    其中BG1和BG2構(gòu)成一個(gè)等效晶閘管，它由關(guān)斷到導(dǎo)通，有兩個(gè)必要條件：Vcc端有正向電壓，節(jié)點(diǎn)a的電壓幅值足夠大。因此，可在端點(diǎn)a提供一個(gè)觸發(fā)電壓，使等效晶閘管觸發(fā)，觸發(fā)脈沖過(guò)了之后，靠Vcc提供的電壓進(jìn)行保持。
    具體實(shí)現(xiàn)過(guò)程如下：
    1)開啟掃描行的被選通單元：在端口V1和V2同時(shí)加上Von，則節(jié)點(diǎn)a的電壓值
   
    若適當(dāng)選擇R1(R2)、R3，且R3>>N使節(jié)點(diǎn)a的電壓Va≈Von>Va’，可使其觸發(fā)；
    2)保持非選單元的關(guān)斷狀態(tài)：使端口V1和V2中至少有一個(gè)電壓為零，則即使另一個(gè)為Von(設(shè)端口V2接地)，用作觸發(fā)等效晶閘管的節(jié)點(diǎn)a的電壓值
   
    若適當(dāng)選擇R1(R2)、R3，且R3>>N，且使節(jié)點(diǎn)a的電壓，可使其不觸發(fā)；
    3)保持非掃描行的已選通單元的開啟狀態(tài)：觸發(fā)過(guò)后，LED單元靠端口Vcc所供的保持電壓Vhold來(lái)保持點(diǎn)亮；
    4)關(guān)斷已選通單元：當(dāng)從端口Vcc撤去保持驅(qū)動(dòng)電壓Vhold的時(shí)候，LED則會(huì)關(guān)斷。
    綜上，只要選擇適當(dāng)?shù)腞1(R2)、R3，就可以把行掃描信號(hào)加在V1上，列信號(hào)加在V2上，給V1端口提供正向反轉(zhuǎn)電壓Von，如果某單元是非選的，則不給相應(yīng)的端口V2提供正向反轉(zhuǎn)電壓Von即可，在非掃描時(shí)段的行，只要保持V1端口不提供正向反轉(zhuǎn)電壓Von則無(wú)LED單元可被觸發(fā)選通。通過(guò)上述驅(qū)動(dòng)電壓，可使雙行雙穩(wěn)態(tài)LED單元工作在雙穩(wěn)態(tài)狀態(tài)下。
1．2 雙行驅(qū)動(dòng)LED單元電路正向反轉(zhuǎn)電壓區(qū)間分析
    對(duì)于雙行驅(qū)動(dòng)LED單元電路來(lái)說(shuō)，要想使已經(jīng)點(diǎn)亮的LED單元關(guān)斷(清零)，只要使Vcc提供一個(gè)零電壓即可；要想使LED實(shí)現(xiàn)保持，則提供一個(gè)穩(wěn)定保持電壓Vhold即可。
    R1(R2)、R3的選擇不僅要使V1、V2施加電壓值為Von時(shí)，LED單元能選通，而且在V1、V2其中有一個(gè)為零，另一個(gè)為Von時(shí)，LED單元應(yīng)為非選狀態(tài)。通過(guò)理論計(jì)算得出LED單元的正向反轉(zhuǎn)電壓區(qū)間，即Von的取值區(qū)間為：
   
    測(cè)得在雙行雙穩(wěn)態(tài)LED電路研究中采用高亮度白光LED時(shí)BG1和BG2等效晶閘管觸發(fā)電壓為：Va’=2．7 V。在選擇正向反轉(zhuǎn)電壓Von時(shí)，希望采用常規(guī)5 V驅(qū)動(dòng)，以簡(jiǎn)化驅(qū)動(dòng)電路及電源部分的設(shè)計(jì)和制造，故令正向反轉(zhuǎn)電壓為：Von=5V。
   
    另外，考慮電路實(shí)際，R1(R2)、R3還應(yīng)符合以下條件：1)盡量選擇大電阻值；2)應(yīng)盡量使R3>>N。
    由此綜合考慮，一般可以選擇R1(R2)=5 kΩ，R3=51 kΩ。

2 雙行雙穩(wěn)態(tài)LED顯示屏的驅(qū)動(dòng)
2．1 行反相掃描方式
    由雙穩(wěn)態(tài)LED單元組成的顯示陣列具有和傳統(tǒng)顯示陣列所不同的行列驅(qū)動(dòng)電路。具體來(lái)講主要是在行驅(qū)動(dòng)電路上：LED顯示矩陣只有一個(gè)行驅(qū)動(dòng)信號(hào)，只需要一套行驅(qū)動(dòng)電壓接入控制電路，而雙穩(wěn)態(tài)LED顯示矩陣有兩個(gè)行驅(qū)動(dòng)信號(hào)。但這兩個(gè)行驅(qū)動(dòng)信號(hào)之間具有固定的合作關(guān)系，故利用這個(gè)特性，雙穩(wěn)態(tài)LED單元并不需要因?yàn)樾序?qū)動(dòng)信號(hào)的增加而增加行驅(qū)動(dòng)電壓接入的控制電路規(guī)模，只需在一套行驅(qū)動(dòng)電壓接入控制電路的基礎(chǔ)上簡(jiǎn)單地添加一組反相器即可使兩個(gè)行驅(qū)動(dòng)電路同時(shí)正常工作，這種驅(qū)動(dòng)方式稱為“行反相掃描方式”。行反相掃描結(jié)構(gòu)的工作原理如圖2所示。

    如圖2所示，“反相掃描結(jié)構(gòu)”上位機(jī)輸送的行掃描信號(hào)及其反相信號(hào)被分別用于上下兩行的行驅(qū)動(dòng)電路的驅(qū)動(dòng)電壓接入控制信號(hào)，虛線框內(nèi)為驅(qū)動(dòng)電壓接入電路，邏輯“1”和“0”表示是否為相應(yīng)行驅(qū)動(dòng)電路接入所需的驅(qū)動(dòng)電壓。通過(guò)此結(jié)構(gòu)，可在上位機(jī)輸送一組行掃描信號(hào)序列的情況下，為顯示矩陣各行的兩組行驅(qū)動(dòng)電路取得正確的驅(qū)動(dòng)電壓接入控制信號(hào)，使顯示屏各行有序地工作在各自應(yīng)處的工作狀態(tài)下。
    反相掃描結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)在于：
    1)不明顯增加雙行雙穩(wěn)態(tài)顯示屏的驅(qū)動(dòng)電路規(guī)模，仍然只使用一組上位機(jī)輸送的行掃描信號(hào)，與普通的LED掃描驅(qū)動(dòng)電路兼容；
    2)清零操作與行掃描選通操作同時(shí)在相鄰兩行進(jìn)行，這樣列顯示數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)不需要為進(jìn)行清零操作而插入冗余值占位，使得雙行雙穩(wěn)態(tài)LED顯示屏的顯示數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)以及相應(yīng)的列驅(qū)動(dòng)機(jī)制與普通的LED掃描驅(qū)動(dòng)電路兼容；
    3)只需簡(jiǎn)單改變上位機(jī)輸送的行掃描信號(hào)序列中“0”和“1”的排列情況，即可十分方便地改變和控制LED顯示屏的占空比系數(shù)，實(shí)現(xiàn)雙行雙穩(wěn)態(tài)LED顯示屏與普通LED顯示屏之間的占空比性能的平滑過(guò)渡。
2．2 占空比的控制
    一個(gè)N行的LED顯示矩陣，上位機(jī)輸送的行掃描信號(hào)為N位序列，其中M位為“1”，N-M位為“0”，由于“1”對(duì)應(yīng)的行都處于“清零”狀態(tài)(其中最遠(yuǎn)離“掃描”行的“清零”行的V1行驅(qū)動(dòng)電路被接入了Von，與其他“清零”行不同，但這并不影響該行的清零工作)，全行關(guān)斷，故顯示屏占空比為：。改變行掃描序列中“1”的個(gè)數(shù)M即可改變占空比。如對(duì)于1個(gè)8行的顯示屏來(lái)說(shuō)，當(dāng)行掃描序列為“1000 000 0”時(shí)，占空比為7／8；而當(dāng)行掃描序列為“1110 0000”時(shí)，占空比即變成5／8；再考慮一個(gè)極端的情況，即行掃描序列為“1111 11110”時(shí)，占空比為1／8，此時(shí)的雙穩(wěn)態(tài)LED顯示屏即和普通掃描驅(qū)動(dòng)LED顯示屏完全相同了，故普通掃描驅(qū)動(dòng)LED顯示屏就成為了雙穩(wěn)態(tài)LED顯示屏的一種特殊狀態(tài)。
    綜上所述，通過(guò)“行反相掃描方式”，使雙穩(wěn)態(tài)LED顯示屏實(shí)現(xiàn)了對(duì)普通掃描驅(qū)動(dòng)LED顯示屏外圍驅(qū)動(dòng)電路的全兼容。

3 雙行雙穩(wěn)態(tài)LED顯示屏的效果評(píng)測(cè)
    為驗(yàn)證雙穩(wěn)態(tài)LED顯示屏在提升LED顯示屏亮度方面的效果，設(shè)計(jì)了一個(gè)16x16的雙行雙穩(wěn)態(tài)LED顯示矩陣，顯示屏矩陣結(jié)構(gòu)如圖3所示。

    通過(guò)實(shí)驗(yàn)，讓雙穩(wěn)態(tài)LED顯示屏分別顯示3幅不同的圖像，對(duì)每一幅圖像都讓雙穩(wěn)態(tài)LED顯示屏工作在不同的占空比，并測(cè)試其對(duì)應(yīng)的ANSI流明值。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

    顯然，實(shí)驗(yàn)結(jié)果符合塔爾博特一普拉竇定律，在使用相同LED發(fā)光器件的前提下，雙穩(wěn)態(tài)LED顯示屏的亮度較普通掃描驅(qū)動(dòng)LED顯示屏最高可提高N-1倍(其中N為顯示屏掃描周期內(nèi)的行數(shù))，與靜態(tài)鎖存驅(qū)動(dòng)顯示屏性能相當(dāng)，并可根據(jù)需要改變占空比實(shí)現(xiàn)亮度控制。

4 結(jié)論
    結(jié)果證明，雙穩(wěn)態(tài)LED顯示屏相對(duì)于傳統(tǒng)的掃描驅(qū)動(dòng)的LED顯示屏來(lái)說(shuō)，可以明顯提高顯示屏的主觀視覺亮度，使其主觀視覺亮度指標(biāo)達(dá)到靜態(tài)鎖存驅(qū)動(dòng)的顯示屏水平，同時(shí)不明顯增加電路規(guī)模，大大地?cái)U(kuò)展了LED顯示屏的應(yīng)用領(lǐng)域。
    并且采用雙穩(wěn)態(tài)LED單元組成的LED顯示屏與傳統(tǒng)掃描方式驅(qū)動(dòng)的LED顯示屏的外圍電路完全兼容，只需對(duì)雙穩(wěn)態(tài)LED顯示屏的行列驅(qū)動(dòng)器加入一組反相器，即可以完全沿用以前的設(shè)備和產(chǎn)品，故升級(jí)成本低。一旦技術(shù)成熟，憑借其自身良好的性能和只增加很少投入的成本控制，將十分易于推廣。該顯示驅(qū)動(dòng)技術(shù)與高亮度或超高亮度LED器件搭配，顯示效果將大幅度提升。