驱动LED 显示屏图像质量和可靠性的问题

本文我们将探讨一些影响 LED 显示屏图像质量和可靠性的问题。我们还将熟悉通常用于处理它们的技术和设计技巧。

防重影/重影消除/预充电 FET

重影、尖峰噪声或幻象噪声是由阳极栅极“浮动”引起的不必要的照明效应，可能发生在时分复用 LED 驱动器中。由于 LED 灯(二极管的 PN 结)具有较高水平的电容，它们的剩余电荷可以不断触发浮动节点之间的电容电荷转移。每次有正向电子流过 PN 结。

这种现象最多的情况是对角线图像。一个由阳极浮动引起的所谓“重影”的例子。现代 LED 驱动器 IC，例如TLC59283，采用所谓的“预充电 FET”电路来消除这些重影效应。如前所述，重影的根本原因是 LED 阳极上的杂散电荷正向偏置其 PN 结并导致其在不需要的时间点亮。这些预充电 FET 旨在确保 LED 灯保持反向偏置且不亮，除非驱动器电路实际开启。

空白带、黑色带和增强型频谱 PWM

LED 显示屏设计师在努力生产更大的产品以提供可能有害的图像质量时还面临着其他几个挑战。最大的问题之一是消除在相机上捕获 LED 显示屏图像时可能出现的空白带。这是由显示器和相机之间的“慢速同步”引起的。这可以通过使用更快的帧刷新率 (FRR) 来避免。不幸的是，更大的显示器需要更快的 FRR。因此，随着显示器尺寸的增加，实现足够高的 FRR 以避免慢同步效应变得越来越困难。

另一个问题是当相机在其某些 LED 处于关闭状态时捕获显示图像时出现的黑带。这可以通过在相机扫描期间保持 LED 灯打开来避免，但正如以下示例所示，这并不总是可行的。

随着 PWM 控制 LED IC 越来越多地控制更大、更高质量的显示器，其中 PWM 操作周期的长度变得更长，黑带成为一个更严重的问题。例如，最新的 16 位 PWM 控制使用 25 MHz 参考时钟需要 2.6 ms = 216 位 / 25 MHz，即 381 Hz 的帧刷新率。这里，总共 216 个时钟周期的 128 灰度代码产生 5.1 us (= 128 / 25 MHz) 的开启时间，以及 2.6 ms 减去 5.1 us 的关闭时间。摄像机在这 2.6 毫秒期间捕获处于关闭状态的 LED 灯。

可以使用一种称为增强频谱 PWM (ES-PWM) 的技术来减轻黑带，这是一种 PWM 生成方法，它将一个长 PWM 周期划分为较短的子 PWM 周期。在上面的示例中，如果将 128 个 ON 周期的时钟分为 16 个周期，每个周期有 8 个时钟，则产生 6 kHz (= 381 Hz x 16) 的有效 FRR。在 6 kHz 时，刷新率足够高，可以避免大多数相机出现黑带。

原始 PWM 代码不能总是等分。在这种情况下，ES PWM 功能将一个 ON 周期分成四舍五入的整数。例如，要将 100 的灰度代码分成 16 个部分，ES-PWM 电路会生成 6 个时钟中的 12 个和 7 个时钟中的 4 个，以保持总灰度为 100(= 6 个时钟 x 12 + 7 个时钟 x 4) .

检测 LED 开路、LED 短路和输出泄漏情况

许多 LED 显示系统是远程控制的，因此操作员很难检测到任何故障。因为人眼对持续打开或关闭的故障灯很敏感，所以即使是几个灯的故障也会降低观看者的视频体验质量。因此，许多显示器实现了检测 LED 开路和短路以及可能导致 LED 故障的输出泄漏情况的方法。

LED 开路检测器 (LOD) 功能可监控 LED 灯的开路故障。正常情况下，驱动IC的恒流输出端保持在恒流电路所需的余量电压。当恒流电路的LED发生故障并变为开路时，恒流电路将其输出端驱动到几乎为零的电压。LOD 功能检测到这些明显的电压变化并生成错误信号。

类似地，LED 短路检测 (LSD) 监控 LED 灯的状况，指示 LED 和/或其驱动器与其阳极的电源电压短路。当 LED 在短路模式下失效时，其输出端子从其正常偏置状态恢复到施加到阳极的全电压。LSD 功能区分此电压差并生成警报信号。

输出泄漏检测 (OLD) 与前两个安全功能略有不同。它旨在检测当 LED 被迫进入其 ON 状态时出现的情况，因为碎屑形成了从输出端子到接地的传导路径。发生这种情况时，LED 会打开——无论其恒流电路驱动器的输出是什么。OLD 元件在其输出端子节点处产生少量电流，用于通过监测端子电压来检测任何泄漏路径。

低灰度增强

人眼对较暗的光源比对较亮的光更敏感。换句话说，它识别出两个暗光源中的哪一个发出更多的光子。然而，当人眼被来自两个不同来源的强光所饱和时，它就无法区分差异。

对于处理视频图像，低灰度数据需要更多的关注。这里广泛使用伽马校正等技术。对于 LED 显示系统，软件编程可以通过 ON/OFF 和 PWM 控制驱动器实现伽马校正功能。

最近的 LED 驱动器，如 TLC5958，在低灰度处理方面集成了更主动的改进。一个常见的问题是红色 LED 灯在输出深白色图像时比绿色和蓝色强，即使红色、绿色和蓝色都具有相同的低灰度数据。这是因为红色 LED 灯由于其较低的正向电压而比绿色和蓝色灯打开的时间更长。低灰度增强 (LGSE) 功能可以纠正 IC 内部的这种差异。

关于这种低灰度问题，LED 电流 PWM 脉冲需要非常短的开启和关闭时间，或上升和下降时间，TR 和 TF。如果 TR 和 TF 很慢，低灰度问题会变得更糟。

“一线”问题和集成 SRAM

如前所述，ES-PWM 控制加快了 FFR。通过使用带有时分复用阳极控制的 ES-PWM，时分复用的第一行变得更暗。有两条线看起来比其他线更红(非常顶部和中间)。所有其他线条看起来更白。当绿灯和蓝灯未完全打开时会导致此第一行问题。

通过集成静态 RAM (SRAM) 位来存储整个帧的灰度 PWM 代码，可以找到解决第一行问题的根本原因，从而避免数据传输时滞。例如，TLC5958 在片上集成了 48 k 位 SRAM，可实现高达 32 次的多路复用。

显示系统和驱动器 IC 的设计技巧

浪涌电流控制

通常，LED 显示系统处理大量电流。例如，8 个 48 输出 LED 驱动器 IC，每个控制 25 mA。总电流为 9.6A。LED 显示系统最大的问题是，这 9.6A 的电流以非常高的频率持续打开和关闭，具有快速的 TR 和 TF。

许多 LED 驱动器 IC 具有降噪功能，例如每个输出之间的延迟。由于系统在其 PCB 上处理 10 MHz 阶的数字信号，因此噪声管理是项目早期的一个重要设计因素。

热错误标志/预热警告

如前所述，LED 显示系统处理大量电流——这会转化为大量热量。这种过热会导致热关断并意外停止 LED 工作。当整个显示器停止工作时，这是一个主要问题，但观众可能会认为系统只是关闭了。然而，在大多数情况下，只有部分模块停止工作，查看者可以看到有问题。因此，许多 LED 驱动器 IC 不具备热关断功能。相反，它们带有热错误标志 (TEF) 或预热警告标志 (PWF) 功能。

这些标志由类似于热关断检测器的电路生成。当温度变热时，不是停止 IC，而是将高温条件标志发送到图像处理控制器。收到标志后，控制器会通过降低屏幕亮度、显示较暗的图像或简单地停止系统片刻来冷却系统。

48 路输出驱动器

PCB 布局在典型的 LED 显示模块设计中可能是噩梦般的。像 TLC5958 这样的 48 输出驱动器可以简化您的 PCB 设计。