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LED电子显示屏驱动基础学习知识原理

LED电子显示屏驱动原理

近年来，随着计算机技术和集成电路技术的飞速发展，得到广泛应用的大屏幕显示系统当属视频led显示系统。

在LED显示技术中，由于红色、绿色发光二极管的亮度、光效色差等性能也得到了很大的提高，加之计算机多媒体制作软件的发展，现在伪彩视频LED显示系统的制造成本大大降低，应用领域不断增加。

这种伪彩色视频LED显示系统采用了计算机多媒体技术，全同步动态显示视频图像，图像清晰，亮度高，无拼缝，每种颜色的视频灰度等级已经由早期的16级灰度上升现在的256灰度，随着大规模集成电路和专用元器件的发展，256级灰度的全彩色视频LED显示系统随时都可能实现。

LED电子显示技术发展迅速，已成为当今平板显示领域的主导之一。

本文着重介绍用M4A5-128P64-10VC设计LED显示屏的控制电路。

1　LED显示屏的构成

在LED显示系统中，点阵结构单元为其基本构成。

每个显示驱动单元又是若干个8×8点阵的LED显示模块组成。

通过多个显示驱动板拼装在一起，构成一个数平方米的显示屏，能用来显示各种文字、图像。

LED显示屏包括计算机视频采集电路、控制电路、驱动电路及电源等，如图1所示。

LED显示屏具有红、绿两种基色，每基色256级灰度，像素节距为7.62mm，像素在水平方向可达成1024点，垂直方向可达成768点。

2　LED电子显示屏特点

LED显示屏是由若干个显示单元拼接而成的，其显示方式采用LED点阵与计算机显示器屏幕相映射的原理，即LED点阵的一个像素点对应着计算机显示屏的一个像素点，例如计算机屏幕上的画面按分辨率分为640列、480行，即LED显示屏上640×480个点阵单元，每个点阵单元又包括红、绿、蓝三种发光二极管，这三种发光二极管发出三种颜色的光混色后得到人眼所感觉到颜色，根据光学三基色原理，我们只采集计算机屏幕上的每一点的图像进行数字化并分解为红、绿、蓝三种信号，经过系统处理后，传递到LED点阵屏幕上的点阵单元中，分别驱动相对应颜色的发光二极管，即实现了计算机屏幕在LED点阵屏幕上的映射。

3　LED电子显示屏驱动原理

在大多数LED显示系统中，都采用刷新式驱动方法，即对每块LED显示驱动单元列向锁存数据，在行向进行扫描，根据LED显示驱动板结构，采用1P16扫描占空比。

我们所设计的LED显示驱动板驱动电路用两片74HC595组成4:

16线行译码器，它提供整个扫描电路所需行信号，同时也用74HC595芯片来作串行移位寄存器，它将系统传来的串行数据移位变成并行信号输出，这样驱动列需要提供串行移位时钟、并行锁入信号和输出使能信号，行扫描需要串行数据输入和串行移位时钟信号，如图2所示。

因此我们需要设计一个时序控制电路。

4　结语

M4A5—128P64—10VC是Lattice公司生产的CPLD器件，有128宏单元、64个IPO引脚。

Lattice公司开发软件ispDesignEXPERT中集成了设计输入、编译、验证和编程全部工作。

首先进行设计输入，即可直接绘制原理图，也可用VHDL语言编程。

我们需要从10MHz时钟源得到100KHz信号用VHDL语言在VHDLMODULE文本编辑器中编写一个名为F100K.HDL文件如下：

　　设计文件输入以后进行编译，然后用户可以调整管脚分配，编译通过，即可对芯片编程。

用Byte-Blaster下载电缆把计算机并行口与PCB上的JTAG插座连接起来，通电后对已安装好的芯片编程。

　　实践表明，用Lattice公司生产的M4A5-128P64-10VC设计的电路达到了设计要求。

LED显示屏驱动设计原理及发展趋势

一、概述

大屏幕一直是LED领域发展重要的组成部分，是大型娱乐、体育赛事、广场主题显示重要组成部分，全彩屏从蓝光LED诞生以来，一直保持高速发展态势。

在装饰显示市场LED将起到积极的作用，市场扩张明显。

我国是全球LED显示屏生产大国，从LED芯片、驱动IC、控制器、屏幕制造等环节完全占据主导地位。

16位移位恒流IC的由来：

双色屏主要是以显示文字为主，单片机扫描比较方便，由于LED数量的增加，为了节省O/I资源，采用74HC595移位扫描。

为了更适合LED的应用在此基础上整合了恒流电流设定功能，增加了电流驱动能力，更符合需求及成本需要又封装出16位器件，被目前全彩屏广泛采用。

电流驱动能力不断降低，早前TLC5940高达120mA单路驱动电流能力，后来TB62726、ST2221、MBI5026电流驱动能力都降低到80-90mA。

目前基本上是采用45mA电流驱动能力，比如MBI5024和CYT62726。

电流驱动能力降低，主要原因是LED器件发光强度越来越高，为了提升图像质量，静态屏幕设计越来越多采用，对驱动电流能力需求降低。

从IC成本角度可以缩减芯片尺寸，从而降低成本，为此设计出25mA静态屏幕驱动芯片CYT62727。

目前全球有80%的LED屏幕采购生产来至中国大陆，普遍采用16通道恒流器件设计，短期内还会继续延续，至少未来5年内不会消失，主要是配套控制技术成熟，产品已经系列化，除非系统控制技术和芯片驱动设计有巨大的飞跃，成本进一步的降低，否则现状不会改变。

近年来，不少公司不断推出新架构，都未来得到市场认可。

最大的问题是通过控制技术，假如改变LED的颜色一致性，新的技术没有大的突破之前，对应用者吸引不大，购买意愿不强。

近几年，大陆芯片设计公司一定会替代性的占领LED显示屏市场，像士兰明芯稳居主流显示屏LED芯片供应商，原因有出色的品质保证外，良好的直销模式是赢得市场法宝。

未来驱动IC也需要直销模式。

显示屏企业大多是大陆本土企业，和台系IC在分销账期、交货速度和信任度上还需要进一步的改善。

在驱动应用技术上，色彩的矫正技术亟待解决的瓶颈，显示屏衰减一致性问题突出，波长矫正和亮度矫正是下一个重点突破目标，首先是解决亮度一致性问题，再而是波长的一致性矫正。

这是世界性难题，也是当前亟待解决的技术难题。

控制技术发展已经走到世界的前列，但是在新方式控制理念上停滞不前，原因是控制器厂家和IC设计厂家配合不畅，各自相对独立，驱动技术和控制技术不能很好的衔接，采用16通道兼容性设计发展成熟度高，新的控制技术推出很少，更谈不上技术的革新。

16通道恒流器件在LED屏幕上采用长达十几年之久，到目前也只不过是减低电流，应对竞争激烈的价格而已，并没有技术上的突破。

先后多家公司推出了系列IC，并没有得到很好的应用，是控制技术的缺失造成的。

在电脑技术飞速发展的今天，可以替代简化控制器的规模，但是技术的移植也需要IC设计厂家的支持，市场缺失控制技术和芯片驱动整合性的方案提供商。

2009年LED显示行业国内市场规模超过300多亿，年产值过亿的企业有30多家，过千万100多家，大小有上千家企业从事显示制造行业。

LED显示屏继续保持15%增长速度，技术日渐成熟。

我国大型赛事工程不断，带动LED增长强劲。

比如：

奥运、世博、亚运会、上海迪斯尼、地铁、高铁等工程赛事。

二．屏幕原理设计

文字显示屏，只要内容显示清楚，有足够的的亮度，基本上都会满足客户需要了。

但是对于图像显示屏的显示质量进行评价，问题就复杂得多。

一般是主观方式来评价显示屏图像显示质量。

所谓主观方式评价，就是人为的方式评判，通过观察图像显示质量做出评判。

这样。

评价结果不仅与图像本身显示质量有关，而且与观察者的主观因素也有关系，很难说是公正和确切性的标准。

尽管如此目前还是没有很好的办法，在没有客观的测量方式出现之前，主观方式仍然是最有效、实用的方法。

㈠最大显示色彩数

显示器的每个像素的颜色都是由RGB（红、绿、蓝）三种基色组成。

低端的液晶显示板，各个基色只能表现6位色，即26=64种颜色。

通过简单的计算，我们可以知道每个独立像素可以表现的最大颜色数是64×64×64=2.62K种颜色；高端液晶显示板利用FRC技术则使得每个基色则可以表现8位色，即28=256种颜色,则像素能表现的最大颜色数为256×256×256=16KK种颜色。

这种显示板显示的画面色彩更丰富，层次感也好。

目前市面上的液晶显示器此两种显示板都有采用，大家可以留心一下。

表面的照度单位勒克司；将此数值与屏体有效显示面积相乘，得到整个屏体的在最佳视角上的发光强度，假设屏体中每个像素的发光强度在相应空间内恒定，则此数值可被认为也是整个屏体的光通量。

一般室外LED显示屏须达到4000cd／平方米以上的亮度才可在日光下有比较理想的显示效果。

普通室内LED，最大亮度在700～2000cd／平方米左右。

单个LED的发光强度以cd为单位，同时配有视角参数，发光强度与LED的色彩没有关系。

单管的发光强度从几个mcd到五千mcd不等。

LED生产厂商所给出的发光强度指LED在20mA电流下点亮，最佳视角上及中心位置上发光强度最大的点。

封装LED时顶部透镜的形状和LED芯片距顶部透镜的位置决定了LED视角和光强分布。

一般来说相同的LED视角越大，最大发光强度越小，但在整个立体半球面上累计的光通量不变。

当多个LED较紧密规则排放，其发光球面相互叠加，导致整个发光平面发光强度分布比较均匀。

在计算显示屏发光强度时，需根据LED视角和LED的排放密度，将厂商提供的最大点发光强度值乘以30％～90％不等，作为单管平均发光强度。

一般LED的发光寿命很长，生产厂家一般都标明为100,000小时以上，这是在设定的最佳的条件下，实际还应注意LED的亮度衰减周期，亮度衰减周期与LED生产的材料工艺及生产厂商有很大关系，一般在经济条件许可的情况下应选用亮度衰减较缓慢的品牌。

实际使用中，光强计算常常采用比较容易测绘的数据单位或变向使用。

对于LED显示屏这种主动发光体一般采用cd／平方米作为发光强度单位，并配合观察角度为辅助参数，其等效于屏体。

屏幕多采用直插型椭圆形LED，国内的封装技术大多可以满足屏幕设计需要。

LED芯片多采用有Cree或用士兰明芯、厦门三安等国内LED发光芯片封装。

㈡驱动芯片时序

CYT62726内部是16位移位寄存器，多颗CYT62726串行数据移位，每个时钟周期CLK移送1位数据SDI，串行数据输入驱动器开/关控制。

施密特缓冲输入。

当其中数据“1”被写入到SDI的开关控制移位寄存器/时CLK的上升沿。

灰度控制模块仿真波形图

CLK串行数据移位时钟。

施密特缓冲输入，所有的数据/关控制的转变移位是由1位的最高位同步的CLK的上升沿，单路数据移位到SD在同一时间。

CLK的上升沿输入获准后，持续100ns的上升沿。

LE边沿触发锁存器。

施密特缓冲输入。

当前对应移位寄存器中数据，在此上升沿数据被锁存。

移位锁存仿真波形图

OE所有输出空白。

施密特缓冲输入。

当OE是低电平时，所有恒流输出（OUT0?

15）被执行。

当OE=1，所有恒流输出控制的开关在数据控制数据/锁存状态。

OE决定执行数据长度时间。

这种时序传输方式是，沿用74HC595通用逻辑数据传输方式，在LED屏幕上已经使用了十多年历史，显得古老而落伍。

LED屏幕亟待新的数据传输格式，简化的、高效的传输方式，从而减低设计复杂度，降低设计成本和提高屏幕可靠性。

数据和时钟需要协调一致，可是在线路设计中，数据采用串行传输，而时钟则是并行传输，势必数据延时会造成输出错位。

这是4线传输格式最大的缺点，数据和时钟不能很好的同步，级联性较差，控制器成本高。

落伍的数据传输格式，控制器产生灰度等级，屏幕刷新率低，传输数据量大，是LED屏幕目前发展瓶颈。

㈢驱动芯片方框图

CYT62726内部线路相对比较简单，电阻通过电流镜比例调节输出电流值，芯片是统一设定16通道电流值的，所以在屏幕设计时通常是单颗IC驱动单一颜色，3片IC组成16个像素。

这样可以通过LED分选获得亮度一致性，3颗IC设定不同的驱动电流值，组成合适的16像素白平衡。

芯片恒流误差显得很重要，电流误差参数也同时影响LED白平衡水平。

移位寄存器（D触发器）负责数据（SDI）的队列，按照时钟（CLK）时间，移动数据队列。

正确的数据被锁存讯号（LE/）存储，这里可能就是二进制的1或0，执行的灰度长度由使能（OE）讯号决定，灰度等级的表现是使能的倍数，使能数据宽度决定最小灰度等级。

三．LED屏线路设计

㈠驱动周边器件选择

在屏幕设计大约在3-6片CYT62726分布的PCB范围内，设置1000uF左右容量电容器，在选择滤波电容时，应用采用低ESR（等效串联电阻）电容器，以最大限度的减小输出波纹，这是与其它电介质相比，这些材料能在较宽的电压和温度范围内维持其容量不变。

在电源和地之间连接着去耦电容，它有三个方面的作用：

一是作为本集成电路的蓄能电容；二是滤除该器件产生的高频噪声，切断其通过供电回路进行传播的通路；三是防止电源携带的噪声对电路构成干扰。

对于设计LED点彩产品，灯点内部增设滤波电容非常重要，主要在于越是色彩的变化丰富供电波动更会增加，滤波电容在这里显得比设计在任何产品中都要重要。

对于大多数高的电流设计，推荐采用一个470至1000uF容值。

这里设计不能没有这颗电容。

 见下图，通常我们设计线路时，会在IC输入设计去耦电容：

一方面是本集成电路的蓄能电容，另一方面旁路掉该器件的高频噪声。

数字电路中典型的去耦电容值是0.1uF。

这个电容的分布电感的典型值是5uH，0.1uF的去耦电容有5uH的分布电感，它的并行共振频率大约在7MHz左右，对于10MHz以下的噪声有较好的去耦效果。

去耦电容的选用并不严格，可按C=1/F，即10MHz取0.1uF。

对于大多数高的电路设计，在输入采用一个0.01至0.1uF电容就足够了。

这里设计不能没有这颗电容。

在VCC电源供电中建议串接一只10Ω电阻（一般设计并没有这颗电阻），LED屏幕工作时内容波动比较大，会超过10V以上。

建议VCC还是需要电阻减少冲击，主要是减小电压波动带来的波峰，特别是LED显示，Vp-p会高出数倍。

IC电源输入端也是最易受到冲击地方，电阻的存在同时也会提高电容滤波效果，这里也可以考虑增加一颗4.7uF的电容提高电压的稳定性。

16位恒流器件VCC耐压并不高，和输出恒流端口耐压是不一样的，在这里增加一颗电阻非常重要，后面还会介绍结合PCB设计，分开供电的方式避免波峰值冲击。

在设计产品时需要确定输出电流值，CYT62726第23管脚是为方便设置电流而设计，外设电阻选择按前章节公式计算，也可以按下表选取，参考设计910Ω大概在20mA电流值。

PCB板级设计电阻要紧贴近IC管脚23与1之间，减小这两个管脚PCB板级电阻会提高参考恒流精度。

CYT62726是兼容性16位恒流器件，在串行16位数据设计中，采用多片级联方式，CLK、LE、OE是并行传送结构，在数据传递中需要增加74HC245来提高驱动能力，一般建议3-6片CYT62726设置1片74HC245。

SD数据是串行传递方式，按照设计设计可以采用经过74HC245，也可以不经过74HC245，因为数据串行传送有足够的驱动能力。

㈡静态LED显示屏设计参考

静态驱动方式是有利于LED寿命的设计，随着驱动IC成本不断降低，越来越多的采用静态设计方式，静态是针对扫描屏设计方式而言的，CYT62726输出端口只单独连接1颗或1串LED，数据传送针对单个像素点驱动，IC使用数量最多的一种设计。

静态设计比较能发挥LED性能，驱动电流值是LED正常工作值，有利于LED最佳使用寿命。

在静态屏幕设计中，多片CYT62726级联方式，CLK、LE、OE是并行传送结构，在数据传递中需要增加74HC245来提高驱动能力，一般建议3-6片CYT62726设置1片74HC245。

SD数据是串行传递方式，按照设计设计可以采用经过74HC245，也可以不经过74HC245，因为数据串行传送有足够的驱动能力。

㈢1/4扫描应用参考设计

1/4扫描设计方式也是LED屏幕采用较多的设计方式之一。

主要是不需要太高LED亮度的产品设计，比如室内屏；不需要太高灰阶等级的屏幕，比如多用于数字图形显示的地方。

1/4扫描设计数据、时钟、锁存、使能传送方式是和静态设计一样的，为了提高刷新率，传送数据量会增加数倍。

1/4扫描需要增加B0-B3扫描选通线，在每帧单位时间内，B0-B3会按次序选通一次，在单位时间1S钟内B0-B3分别占用（1/4）S时间。

每当B0-B3被选通，其中被选通点亮的LED数据被移位到该像素，并锁存和使能（执行显示）。

CYT62726的16个端口驱动其中B0-B3选通线中共4颗LED，相对应4个单一颜色像素点，IC驱动电流是4颗LED电流的总和。

CYT62726的16个端口电流是统一设定的，为了保持白平衡R’G’B分别采用3颗CYT62726设计。

选通讯号是由控制器送出的，驱动PMOS打开和关闭B0-B3选通线，PMOS驱动能力与选通线B0-B3连接LED数量有关系，是整个选通线上LED电流总和，通常选择4953，但是要注意MOS驱动能力。

在1/4扫描设计中，CYT62726是多片级联方式，CLK、LE、OE是并行传送结构，在数据传递中需要增加74HC245来提高驱动能力，一般建议3-6片CYT62726设置1片74HC245。

SD数据是串行传递方式，按照设计设计可以采用经过74HC245，也可以不经过74HC245，因为数据串行传送有足够的驱动能力。

在1/4扫描设计中，一般驱动电流较大，单颗红色LED时，需要串接电阻分压，分担芯片热量。

最好的办法是两颗红色LED串接，提高亮度降低驱动电流，但是需要和设计面板显示结构相结合。

㈣1/8扫描单双色屏幕参考设计

1/8扫描设计主要是设计应用在不需要太高灰阶等级的单双色屏幕，比如多用于数字图形显示，车站、码头、银行汇率牌，条形字符屏幕。

1/8扫描相对于静态显示CYT62726使用量减少了8倍，降低设计成本是采用扫描设计方式的主要原因。

1/8扫描设计数据、时钟、锁存、使能传送方式是和静态设计是一样的，为了提高刷新率，传送数据量会增加数倍。

显示灰阶度降低可以降低数据传送量，这能是采用扫描方式设计的原因之一。

1/8扫描需要增加A0-A2扫描选通线，A0-A2译码讯号是控制器送出的，在1/8扫描要增加74HC138译码，74HV138是3/8译码器，在每帧单位时间内，B0-B7会按次序选通一次，在单位时间1S钟内B0-B7分别占用（1/8）S时间。

每当B0-B7被选通，其中被选通点亮的LED数据被移位到该像素，并锁存和使能（执行显示）。

CYT62726的16个端口驱动其中B0-B7选通线中共8颗LED，相对应8个单一颜色像素点，IC驱动电流是8颗LED电流的总和。

74HC138选通讯号驱动PMOS打开和关闭B0-B7选通线，PMOS驱动能力与选通线B0-B7连接LED数量有关系，是整个选通线上LED电流总和，通常选择4953，但是要注意实际驱动能力。

原理图限于篇幅后面被省略，B0-B7选通线还可以向后级延伸。

在1/8扫描设计中，CYT62726是多片级联方式，CLK、LE、OE是并行传送结构，在数据传递中需要增加74HC245来提高驱动能力，一般建议3-6片CYT62726设置1片74HC245，原理图限于篇幅后面被省略，CYT62726级联数量还可以向后级延伸设计。

SD数据是串行传递方式，有足够的驱动能力，现有的屏幕设计多是经过74HC245，也可以不经过74HC245，这样可以减少SD数据延时时间。

因1/8扫描总的驱动电流较大，在5V电源设计情况下，红色LED正向电压较低，需要增加电阻分担CYT62726功耗。

若同时串接2颗红色LED就不需要设置电阻。

蓝、绿色也不需要增加电阻。

其它设计方式请注意功耗问题，因实际情况而定。

㈥恒流输出精度及计算

16通道恒流是该芯片重要参数之一，它有几个关键指标组成：

恒流最低压差；片间恒流误差；VCC电压调整率；负载调整率；温度漂移。

1）输出恒流压差希望越低越好，通常维持在0.6-1V之间，最好是低于0.6V。

从上图测试曲线可以看出，随着输出电流的增加，压差也会增加。

在有一种设计中很关键，例如2R屏设计中：

很多的屏幕是2R''''''''''''''''''''''''''''''''1G''''''''''''''''''''''''''''''''1B设计的，2颗红色LED需要4V电压才能正常点亮，假设驱动IC需要1V压差，那最低建立恒流电压是5V，在5V电源供电情况下，远离电源端子地方有可能达不到5V最基本电压值。

屏幕出现偏色，输出电流调整不到理想值，问题就是出在这里。

由此可以看出恒流压差维持到0.6V是最合理的，部分IC为了降低成本，大幅度减小尺寸，是造成压差高的主要原因。

16通道恒流IC是线性恒流方式，压差的形成是IC最主要的热源之一，较低的压差利于芯片散热。

2）片间恒流误差±3％；片间误差是恒流输出重要的参数之一，我们通常看到标注片内通道±1.5％，片间通道±3％恒流误差，实际片内误差可以不予考虑，因为我们不会单独使用1颗芯片，在LED屏幕设计主要考虑片间误差。

3）受VCC电压变化恒流精度影响±0.07％/V；VCC电压变化是会影响到输出电流精度的，在PCB设计走线要考虑LED供电和IC供电分开，提高滤波效果，能达到很好的效果。

4）负载调整率，负载端电压影响的电流输出特性，维持在±0.01％/V；负载电压不同或波动，会影响恒流精度，虽然是很小。

解决的办法是尽量加宽PCB供电走线。

按照下面表格选取合适的宽度和铜厚：

5）温度恒流漂移0.0005％/℃。

环境温度和芯片发热也会影响到输出恒流精度，30℃上升到70℃大概会有2%误差，也相当重要。

㈦输出电流计算

通常会给出一张表格，标注随电流输出的电阻设定曲线，在IC内部是一个电流镜与实际输出电流成一定的比例，因各家设计而有所不同，设计大多类似。

表格只是指示输出电流曲线，并不能准确的确定具体电阻阻值，最好是套用下面公式可以计算输出电流值：

Vref为23管脚输出电压，Vref维持在1.2V左右。

例如：

输出电流设定在20mA，电阻值在910左右，即：

大概电流在20mA左右，公式计算误差电流维持在±5%以内。

严谨的电路设计需要精确测量，经确认后的电流，保持±1%电阻值误差，批量中电流精度维持在±3%以内。

四．芯片测试

㈠驱动IC耐压需求

屏幕驱动芯片耐压是很重要的，一般屏幕虽说供电只有5V，可是显示内容变化剧烈，因此而产生的电压峰峰值（Vp-p）远比我们想象的要高。

开关电源本身就有峰值电压，与选择电源有很大的关系，但是客户允许的售价限制我们的电源选择水平，这里告诉大家开关电源是其中因数之一。

对减小纹波，屏幕PCB布线也非常关键，这是个很赫手的问题，需要有专门的PCB工程师。

屏幕电源分布供电情况，也是重要的因数。

受上述因数影响，电压峰峰值（Vp-p）计算是复杂的，从应用角度实测，静态屏幕通常大约在7-9V之间。

扫描屏幕大概在10-13V之间，扫描屏幕电压峰峰值升高和扫描屏幕开关速度提高有密切关系，传输速率提升，提高LED开关速度，同时也提升电压波动变化率，电压峰峰值也会提高。

前面讲过最开始是采用74HC595设计屏幕，后来发现耐压只有9V（5V低压工艺）设计的74HC595会因此损坏，分析认为是电压峰峰值所致，在屏幕的发展过程中不断的提高输出端口的耐压，彻底的解决了这个问题。

这些年有部门公司设计16通道IC，采用了耐压9V的设计，在部分屏幕使用没有问题（多是静态屏幕），可是有些公司的LED屏幕上使用损坏率很高（大多是扫描屏幕或PCB设计差异），问题源于此。