本文我們將探討一些影響 LED 顯示屏圖像質量和可靠性的問題。我們還將熟悉通常用于處理它們的技術和設計技巧。

防重影/重影消除/預充電 FET

重影、尖峰噪聲或幻象噪聲是由陽極柵極“浮動”引起的不必要的照明效應，可能發生在時分復用 LED 驅動器中。由于 LED 燈(二極管的 PN 結)具有較高水平的電容，它們的剩余電荷可以不斷觸發浮動節點之間的電容電荷轉移。每次有正向電子流過 PN 結。

這種現象最多的情況是對角線圖像。一個由陽極浮動引起的所謂“重影”的例子。現代 LED 驅動器 IC，例如TLC59283，采用所謂的“預充電 FET”電路來消除這些重影效應。如前所述，重影的根本原因是 LED 陽極上的雜散電荷正向偏置其 PN 結并導致其在不需要的時間點亮。這些預充電 FET 旨在確保 LED 燈保持反向偏置且不亮，除非驅動器電路實際開啟。

空白帶、黑色帶和增強型頻譜 PWM

LED 顯示屏設計師在努力生產更大的產品以提供可能有害的圖像質量時還面臨著其他幾個挑戰。最大的問題之一是消除在相機上捕獲 LED 顯示屏圖像時可能出現的空白帶。這是由顯示器和相機之間的“慢速同步”引起的。這可以通過使用更快的幀刷新率 (FRR) 來避免。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，實現足夠高的 FRR 以避免慢同步效應變得越來越困難。

另一個問題是當相機在其某些 LED 處于關閉狀態時捕獲顯示圖像時出現的黑帶。這可以通過在相機掃描期間保持 LED 燈打開來避免，但正如以下示例所示，這并不總是可行的。

隨著 PWM 控制 LED IC 越來越多地控制更大、更高質量的顯示器，其中 PWM 操作周期的長度變得更長，黑帶成為一個更嚴重的問題。例如，最新的 16 位 PWM 控制使用 25 MHz 參考時鐘需要 2.6 ms = 216 位 / 25 MHz，即 381 Hz 的幀刷新率。這里，總共 216 個時鐘周期的 128 灰度代碼產生 5.1 us (= 128 / 25 MHz) 的開啟時間，以及 2.6 ms 減去 5.1 us 的關閉時間。攝像機在這 2.6 毫秒期間捕獲處于關閉狀態的 LED 燈。

可以使用一種稱為增強頻譜 PWM (ES-PWM) 的技術來減輕黑帶，這是一種 PWM 生成方法，它將一個長 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 ON 周期的時鐘分為 16 個周期，每個周期有 8 個時鐘，則產生 6 kHz (= 381 Hz x 16) 的有效 FRR。在 6 kHz 時，刷新率足夠高，可以避免大多數相機出現黑帶。

原始 PWM 代碼不能總是等分。在這種情況下，ES PWM 功能將一個 ON 周期分成四舍五入的整數。例如，要將 100 的灰度代碼分成 16 個部分，ES-PWM 電路會生成 6 個時鐘中的 12 個和 7 個時鐘中的 4 個，以保持總灰度為 100(= 6 個時鐘 x 12 + 7 個時鐘 x 4) .

檢測 LED 開路、LED 短路和輸出泄漏情況

許多 LED 顯示系統是遠程控制的，因此操作員很難檢測到任何故障。因為人眼對持續打開或關閉的故障燈很敏感，所以即使是幾個燈的故障也會降低觀看者的視頻體驗質量。因此，許多顯示器實現了檢測 LED 開路和短路以及可能導致 LED 故障的輸出泄漏情況的方法。

LED 開路檢測器 (LOD) 功能可監控 LED 燈的開路故障。正常情況下，驅動IC的恒流輸出端保持在恒流電路所需的余量電壓。當恒流電路的LED發生故障并變為開路時，恒流電路將其輸出端驅動到幾乎為零的電壓。LOD 功能檢測到這些明顯的電壓變化并生成錯誤信號。

類似地，LED 短路檢測 (LSD) 監控 LED 燈的狀況，指示 LED 和/或其驅動器與其陽極的電源電壓短路。當 LED 在短路模式下失效時，其輸出端子從其正常偏置狀態恢復到施加到陽極的全電壓。LSD 功能區分此電壓差并生成警報信號。

輸出泄漏檢測 (OLD) 與前兩個安全功能略有不同。它旨在檢測當 LED 被迫進入其 ON 狀態時出現的情況，因為碎屑形成了從輸出端子到接地的傳導路徑。發生這種情況時，LED 會打開——無論其恒流電路驅動器的輸出是什么。OLD 元件在其輸出端子節點處產生少量電流，用于通過監測端子電壓來檢測任何泄漏路徑。

低灰度增強

人眼對較暗的光源比對較亮的光更敏感。換句話說，它識別出兩個暗光源中的哪一個發出更多的光子。然而，當人眼被來自兩個不同來源的強光所飽和時，它就無法區分差異。

對于處理視頻圖像，低灰度數據需要更多的關注。這里廣泛使用伽馬校正等技術。對于 LED 顯示系統，軟件編程可以通過 ON/OFF 和 PWM 控制驅動器實現伽馬校正功能。

最近的 LED 驅動器，如 TLC5958，在低灰度處理方面集成了更主動的改進。一個常見的問題是紅色 LED 燈在輸出深白色圖像時比綠色和藍色強，即使紅色、綠色和藍色都具有相同的低灰度數據。這是因為紅色 LED 燈由于其較低的正向電壓而比綠色和藍色燈打開的時間更長。低灰度增強 (LGSE) 功能可以糾正 IC 內部的這種差異。

關于這種低灰度問題，LED 電流 PWM 脈沖需要非常短的開啟和關閉時間，或上升和下降時間，TR 和 TF。如果 TR 和 TF 很慢，低灰度問題會變得更糟。

“一線”問題和集成 SRAM

如前所述，ES-PWM 控制加快了 FFR。通過使用帶有時分復用陽極控制的 ES-PWM，時分復用的第一行變得更暗。有兩條線看起來比其他線更紅(非常頂部和中間)。所有其他線條看起來更白。當綠燈和藍燈未完全打開時會導致此第一行問題。

通過集成靜態 RAM (SRAM) 位來存儲整個幀的灰度 PWM 代碼，可以找到解決第一行問題的根本原因，從而避免數據傳輸時滯。例如，TLC5958 在片上集成了 48 k 位 SRAM，可實現高達 32 次的多路復用。

顯示系統和驅動器 IC 的設計技巧

浪涌電流控制

通常，LED 顯示系統處理大量電流。例如，8 個 48 輸出 LED 驅動器 IC，每個控制 25 mA。總電流為 9.6A。LED 顯示系統最大的問題是，這 9.6A 的電流以非常高的頻率持續打開和關閉，具有快速的 TR 和 TF。

許多 LED 驅動器 IC 具有降噪功能，例如每個輸出之間的延遲。由于系統在其 PCB 上處理 10 MHz 階的數字信號，因此噪聲管理是項目早期的一個重要設計因素。

熱錯誤標志/預熱警告

如前所述，LED 顯示系統處理大量電流——這會轉化為大量熱量。這種過熱會導致熱關斷并意外停止 LED 工作。當整個顯示器停止工作時，這是一個主要問題，但觀眾可能會認為系統只是關閉了。然而，在大多數情況下，只有部分模塊停止工作，查看者可以看到有問題。因此，許多 LED 驅動器 IC 不具備熱關斷功能。相反，它們帶有熱錯誤標志 (TEF) 或預熱警告標志 (PWF) 功能。

這些標志由類似于熱關斷檢測器的電路生成。當溫度變熱時，不是停止 IC，而是將高溫條件標志發送到圖像處理控制器。收到標志后，控制器會通過降低屏幕亮度、顯示較暗的圖像或簡單地停止系統片刻來冷卻系統。

48 路輸出驅動器

PCB 布局在典型的 LED 顯示模塊設計中可能是噩夢般的。像 TLC5958 這樣的 48 輸出驅動器可以簡化您的 PCB 設計。