ST LED驱动器方案提升全彩视频显示屏的质量

中心议题：
    *  论述全彩LED视频显示屏的主要技术要求
    *  如何实现全彩LED视频显示屏所需的性能
解决方案：
    *  意法半导体专门为全彩视频显示屏定制的LED驱动器方案

前言

我们在日常生活中随处可见的LED发光二极管不再是什么新鲜科技，LED在多个细分市场上的强劲的增长势头已是既定事实。
 
广告显示屏或数字标牌是LED应用最广泛的领域之一。从单色显示屏到全彩显示屏，LED解决方案被广泛用于市场需求和复杂程度不同的路标指示牌、广告显示屏、户内外视频显示屏等。
 
本文主要论述全彩LED视频显示屏的主要技术要求，以及如何实现所需的性能。
 
全彩LED视频显示屏

全彩LED视频显示屏是能够以数百万种颜色显示影像和动画的显示屏。LED显示屏应用场景包括体育场、建筑外观、购物中心、电视演播室。
 
大型LED显示屏被用于播放广告和资讯，重播体育赛事或音乐会。
 
图1 是LED显示屏结构简图。

图1：LED全彩视频显示屏简图
 
不同类型的视频信源提供的视频输入信号经过处理后被送入LED显示屏。
 
整个显示屏通常由若干个正方形或矩形的点阵组成，每个点阵又由若干个像素组成。每个像素由RGB (红、绿、蓝)LED灯管组成，通过混合这些LED的灯光颜色，就可产生所需的像素信息。LED驱动器相当于被处理后的视频数据与RGB LED发出的彩色灯光之间的接口（图像就是由这些彩色光线构成的）。
 
从大型LED视频显示屏的目标应用考虑，我们很容易意识到画质所扮演的重要作用。
 
这个概念包含几方面的内容:

原始图像的信号质量以及数据处理能力是取得良好画质的前提条件。

显示屏的大小、分辨率高低、像素间距和LED选择是决定人眼感受到的画质的关键参数。

需要选择一个适合的LED驱动器，能够把处理后的图像数据转换成所需的彩色和动画效果。

鉴于本文的目的是描述LED显示屏的LED驱动器解决方案，我们将在以下的章节重点介绍上面提到三方面内容的最后一点。
 
LED显示屏对LED驱动器的要求

在彩色和动画方面，为取得优异的画质，需要整合多种不同的功能：高帧率、高刷新率、颜色还原精度等。

不过，显示屏的质量不仅指图像本身，还指解决方案的整体质量，例如，抗干扰性和可靠性。

因此，所有的彩色LED显示屏需要选择技术精密的LED驱动器：
良好的显色性取决于每个RGB（以及每个颜色）的有效亮度:有效亮度越高，显示的颜色越丰富。合理而精细地控制亮度需要利用PWM调光技术控制大量的亮度。
 

高帧率和高刷新率需要高速率地处理大量数据。LED驱动器可利用高频串口和灵活的数据格式管理功能满足这些要求。

一支或多支LED灯管失效会影响像素颜色的精度，危及影像的整体视觉效果，影响系统的画质。让显示屏保持理想视觉效果需要一个可靠的LED失效条件检测方法。

全彩视频显示屏LED驱动器解决方案        

意法半导体拥有各种显示器和数字标牌LED驱动器产品，其中STP1612PW05 (见图 2)是意法半导体为全彩LED视频显示屏专门研制的LED驱动器。
 
这款产品是一个16通道LED驱动器，内置一个高频串行数据接口。每路通道的最大输出电流为60mA，可以通过一个外部电阻器调节输出电流，使用一个8位增益寄存器可以精确调节256级灰度。
 
在更低的电流下提高电流精度(通道之间典型值 ± 1.5% )符合LED技术的发光效率改进要求。实际上，高能效LED的问世让显示屏制造商能够使用更低的电流LED驱动器取得相同的亮度。
 
该产品为每路输出通道配备了独立的可调PWM亮度控制功能。众所周知的PWM调光功能在LED色彩保护方面的优势以及4096（12位）或65536（16位）级可调亮度，最终可使色差和画质得到明显改进。
 
此外，为进一步提升调光控制功能，该产品还采用了Scrambled PWM模式。PWM总周期基本上覆盖了很多刷新周期，效果就是像提高调光频率而保持调光分辨率不变，从而降低画面闪动。
 
STP1612PW05内置串行接口符合显示屏的高速数据速率和数据格式灵活性要求：数据发送时钟频率可高达30MHz，采用16x16位格式（若亮度选择4096级，数据格式为6x12位)或压缩度更高的256位格式。
 
正如前文提到的，一个抗干扰性强且可靠的LED驱动器可大幅提升系统的总体质量。
 
当发现失效的LED灯管（开路或短路）时，STP1612PW05 会把检测结果通过串行接口送到微控制器，从而避免相关像素的颜色变化或关闭，保护图像的一致性。

图2：STP1612PW05结构简图
 
在一帧视频图像开始时所有的LED灯管同时导通，这会产生上升斜率很大的涌流，这意味着需要很大的输入电容，寄生通道会产生振荡，系统产生噪声。把四路连续输出组成一组（第1组OUT0、OUT1、OUT2和OUT3；第2组从OUT4到OUT7；按照这个顺序排列下去)，每组之间连续延时40ns，使输出通道的导通时间错开，这样可以大幅降低涌流。
 
因为任何原因（线路断开）导致PWCLK时钟信号不存在（PWM计数器时钟信号，用于进行PWM调光控制），这会让显示屏上的所有LED无限期地导通。
 
除影响图像正确显示外，这种意外事件还会烧毁或损坏LED灯管。STP1612PW05内置可以激活PWM时钟超时断开的保护功能：当PWCLK信号消失1秒以上时，信号发生器将被强制关闭。
 
应用示例
 
实现目标亮度的LED正向电压与可设置的电流随着LED颜色不同而变化：在红光、绿光和蓝光三种颜色LED中，红光LED的正向电压最低，蓝光LED的驱动电流最低。因此，建议每种灯光颜色使用不同的驱动器。
 
图3 描述了一个采用STP1612PW05实现的应用示例。

图3：通过STP1612PW05驱动一个全彩LED显示屏点阵的设计简图
 

每个显示屏点阵是由16个像素组成，每个像素是由4支彩色LED灯管（1支红的、1支蓝的、2支绿的）组成。

16支相同颜色的LED由一颗STP1612PW05驱动。
 
LED电源电压(VLED)的选择是在几个通常是对立的需求之间的一种平衡考量。
 
VLED 电压应该足够高，使LED能够保持正确的通态，但是应最大限度地降低LED驱动器的电流发生器的电压降，否则会引起无用的功耗，并导致芯片和系统过热。
 
显然，红光 、绿光和蓝光共用一个VLED电压并不是最佳的解决方案。理想的解决方案是优化LED电源电压，把LED灯管的电压轨分开可以取得理想的效果。
 
这需要合理地驱动所有的LED灯管，同时节省电能。
 
结论

全彩LED视频显示屏的高质量要求给设计人员选择适合的LED驱动器选带来新的挑战。
 
卓越的颜色还原性能和视频失真最小化是这些应用的基本要求。
 
意法半导体专门为全彩视频显示屏定制的LED驱动器是一个高质量的解决方案，能够满足全彩视频显示屏的技术要求。