利用驅動芯片的快速響應實現高畫質LED顯示屏

現今LED顯示屏運用越來越廣，凡舉金融證券、體育、交通訊息、廣告傳遞等都可以看到它的足跡，也因為最近幾年LED成本下降及亮度的提升再加上LED顯示屏更具有耗電少、壽命長、視角大及響應速度快等優勢；而且可以根據不同地點及需求訂制相對應的尺寸，在市場上快速崛起成新一代的傳播媒體寵兒，其條件更是其他大型顯示設備無法比擬的。本文將進一步一一說明如何不變更電路設計，利用驅動芯片的快速響應優勢來實現高畫質的LED顯示屏。

整體速度的提升- 更高的刷新頻率與換幀頻率

　　LED是經由流過的電流來驅動的，而通過的脈沖寬度可以控制LED的亮度及灰度，簡單來說若不考慮系統端的設計，刷新頻率(refreshrate)是經由尋址時間(Tacc)及流過LED的電流速度所決定的；而換幀頻率(framerate)的提高除了系統的的支持外更需要更快的尋址時間，而尋址時間與傳輸的時脈(DCLK)與尋址數有強烈的正相關。

　　例如：有一全彩戶外顯示屏其尋址數為768，若是使用不同的時脈則整體的尋址時間也會不同

　　工作時脈為10Mhz -> 768X0.1us = 76.8us

　　工作時脈為30Mhz-> 768X0.033us = 25.6us

　　而電流流過LED的速度決定LED顯示屏的刷新頻率，舉例說明若一LED顯示屏其尋址數皆為768、工作時脈為30Mhz、灰階調整為8位元(bits)、亮度調整皆為2位元(bits)、每子場的間隔時間為4us；傳統驅動芯片其顯示的脈沖寬度為250ns，而SnapDrive驅動芯片的脈沖寬度為50ns，兩者可以達到的刷新頻率有明顯的差異

　　A.傳統驅動芯片(脈沖寬度為250ns)

　　權重安排為 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.SnapDrive驅動芯片(脈沖寬度為50ns)

　　權重安排為 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

　　顯示灰階度提升

　　目前市場上一般通用的傳統驅動芯片其OE響應時間約為250ns，若以上述的例子來看其最高的灰階為8位元；亦即R,G,B各有256個灰階度。其色彩為256X256X256 = 166777216約1千六百萬色。若想將灰階度提高至14位元亦即16384X16384X16384=4.39千億色；兩者之間的刷新頻率亦會得到明顯的差異

　　A.傳統驅動芯片(脈沖寬度為250ns)

　　權重安排為 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

本文引用地址：http://www.104case.com/article/201706/351532.htm
　　B.SnapDrive驅動芯片(脈沖寬度為25ns)

　　權重安排為 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

　　
表1為傳統驅動芯片及SnapDriveTM驅動芯片綜合表現

　　以下為臺灣迅杰科技推出包含SnapDriveTM技術之驅動芯片測試條件及結果，藉圖1及圖3可以明顯看出其驅動芯片在極小的OE脈沖寬度下其輸出電流仍為線性輸出，而傳統驅動芯片則無法提供線性的輸出。

　　測試條件：

　　Vcc=5V ,Iout=38.3mA,RL=47Ω,CL=13pF

失真率的降低

　　針對不同的輸出電流斜率的驅動芯片，利用仿真軟體(HSPICE2007)我們在失真率方面我們得到不同的結果失真率

表2：失真率比較表

　　仿真條件：傳統驅動芯片： Ton:160ns, Tof:70ns

　　SnapDriveTM驅動芯片：Ton:15ns, Tof:15ns

　　Vin :5V , Iout=20mA , LED等效電路RL:52Ω,CL:10pf

　　OE 脈沖寬度為：250ns

解決LED 熱的問題及增加LED的壽命

　　如圖5所示為50% Dutycycle的電流輸出示意圖，若在同一個時間內將出電流的脈沖平均打散，不但不影響輸出電流及LED的亮度也可以避免LED長時間的點亮造成LED過熱及壽命提早衰減的現象。

快速響應電路設計

　　使用快速響應的驅動芯片雖然可以提高LED顯示屏之灰階度及刷新頻率；不過根據電感效應的公式 Delta;V= L ?di/dt因時間t變小；相對而言瞬間的電壓變大所以容易產生突波。筆者在此列上幾個電路設計上的改善方式供讀者參考：

　　ΔV ：電壓的變化量

L：電路上寄生之電感

　　di：對電流的微分

　　dt：對時間的微分

　　在電路設計上有幾點需要特別注意：

　　1.PCB最好是4層板以上，將電源及地獨立一層；走線部份越短越好。

　　2.VLED及VCC對地端加上一個大的穩壓電容，建議CP1及CP2為1000~1500uF。

　　3.VLED與VCC分開為不同電源。

　　4.可在時脈輸入端(Clock)加上RC電路，將其峰值降低，降低對電磁干擾的影響；建議Rt22Ω、Ct33pF。

　　掃描屏上；建議在MOS的Gate端與74HC138之間串一個電阻，以避免VLED端的電感效應及MOS端寄生電容所產生的突波，造成74HC138燒毀；建議Rg100Ω、Cg47pF(電容部份可選擇不加)。

結論

　　藉由快速響應(SnapDriveTM)的驅動芯片不但可以提升整屏的灰階顯示及刷新頻率、降低電流輸出失真率，也由于傳統驅動芯片由于電流的爬升及下降時間較長，在未達到設定電流時其非線性輸出會影響LED的發光特性(波長)，容易造成顯示屏色彩失真的現象。但由于傳輸及工作頻率的提高對設計者而言除了在電路設計上要更加小心外，挑選高品質、高信賴度的驅動芯片更是不二法門。