近年來(lái)，LED顯示屏被廣泛運用在各種大型運動(dòng)賽事及國際活動(dòng)中，例如:北京奧運及上海世博會(huì )，加上各式攝像器材在快門(mén)及攝像速度技術(shù)的日新月異，一般240Hz刷新率的LED掃描屏在拍攝時(shí)將會(huì )出現掃描波紋及畫(huà)面灰階丟失的問(wèn)題，造成攝像質(zhì)量變差，已無(wú)法滿(mǎn)足高端市場(chǎng)的需求，因此，高刷新率掃描屏的技術(shù)發(fā)展逐漸獲得重視，驅動(dòng)芯片也順應高端需求推出掃描顯示屏解決方案。
關(guān)鍵詞
LED顯示屏 (LED display)
畫(huà)面刷新率 (Refresh rate)
適應性脈波密度調變 (APDM)
掃描脈沖密度調變(MPDM)
LED驅動(dòng)芯片 (LED driver)
MY9262
MY9268
一.LED顯示屏在數碼相機攝像及高速攝像機下遭遇的問(wèn)題:
(1)掃描條紋問(wèn)題
當我們對掃描屏攝像時(shí)，經(jīng)常會(huì )出現的掃描條紋線(xiàn)，原因來(lái)自于顯示屏的行掃描頻率過(guò)低，為了消除這種現象，掃描頻率需要遠遠超過(guò)快門(mén)時(shí)間。一般戶(hù)內拍攝時(shí)，快門(mén)設定時(shí)間約為1/60~1/200秒，所以為了拍攝高質(zhì)量的攝像畫(huà)面，必須要求顯示屏畫(huà)面刷新頻率為1,000Hz以上。
(2)畫(huà)面灰階丟失問(wèn)題
在針對LED掃描屏攝影時(shí)，會(huì )出現原本畫(huà)面中很均勻的灰度轉換過(guò)程，攝像的效果卻只有少數層次變化，部份的灰階變化無(wú)法呈現在攝像成品中，這種現象就是畫(huà)面灰階丟失問(wèn)題。這種現象也是因為顯示屏畫(huà)面刷新率過(guò)低，無(wú)法滿(mǎn)足相機的快門(mén)設定時(shí)間所造成的問(wèn)題，為了完整地拍到整個(gè)灰度轉換的各個(gè)灰階，必須要提高顯示屏的畫(huà)面刷新頻率，保證每次快門(mén)打開(kāi)時(shí)間內可以包含多次的畫(huà)面更新。在戶(hù)外攝影的快門(mén)經(jīng)常設定在1ms以下，因此畫(huà)面刷新頻率必須保證在3,000Hz以上才能有完美優(yōu)質(zhì)的攝像結果。
(3)高速攝像機拍攝問(wèn)題
在大型運動(dòng)賽事會(huì )場(chǎng)中，經(jīng)常需要架設高速攝影機來(lái)補捉精彩時(shí)刻的畫(huà)面，或者必須利用高速攝影機畫(huà)面來(lái)判定競賽的勝負結果，此時(shí)，在會(huì )場(chǎng)中的LED掃描屏如果刷新率太低，將嚴重影響攝像質(zhì)量，目前，高速攝像機拍攝1280 x 1024高畫(huà)素影像時(shí)，每秒可高達1000~2500張畫(huà)面，因此必須保證LED掃描屏畫(huà)面刷新率在12500Hz以上，才能確保攝像畫(huà)面不會(huì )出現掃描條紋及灰階丟失的問(wèn)題產(chǎn)生。這些高畫(huà)面刷新率的掃描屏需求，在使用傳統Scramble-PWM的驅動(dòng)芯片下很難完成這樣的規格要求。
因此，唯有提升顯示屏技術(shù)，利用高刷新掃描屏才能克服上述三種問(wèn)題的限制。
二.現有高畫(huà)面刷新率LED掃描屏解決方案:
以靜態(tài)驅動(dòng)方式來(lái)實(shí)現高畫(huà)面刷新率LED顯示屏，可以使用內建PWM功能的驅動(dòng)芯片來(lái)提高LED使用率，以明陽(yáng)半導體的MY9262為例，內建16位灰階計數器，并使用APDM技術(shù)將恒流輸出波形依據灰階數據數據平均打散成64段或128段，可降低因非對稱(chēng)電流響應造成的損耗，并且大幅提高畫(huà)面刷新率，在灰階時(shí)鐘GCK等于16MHz操作條件下，16位灰階畫(huà)面刷新率可高達15000Hz(見(jiàn)圖一所示)，但是靜態(tài)驅動(dòng)方式必須使用為數眾多的恒流驅動(dòng)芯片才能實(shí)現。
圖一. 利用APDM技術(shù)提高畫(huà)面刷新率
如果此類(lèi)芯片使用在動(dòng)態(tài)掃描屏時(shí)，以1/8掃驅動(dòng)為例(見(jiàn)圖二所示)，ROW1的LED只有在自己的掃描行時(shí)間下才會(huì )被點(diǎn)亮，必須等待ROW2~ROW8行掃描時(shí)間都完成16位灰階畫(huà)面后，LED才會(huì )再次被點(diǎn)亮，因此，16位灰階掃描屏的畫(huà)面刷新率仍然無(wú)法被提高，但是可以利用(1)降低畫(huà)面灰度階數或(2)將灰階數據分組來(lái)提高掃描屏畫(huà)面刷新率。
圖二. 傳統APDM/PWM芯片在1/8掃驅動(dòng)的電流輸出波形
(1)降低畫(huà)面灰階數實(shí)現掃描屏
以灰階時(shí)鐘GCK=16MHz實(shí)現16位灰階的1/8掃驅動(dòng)掃描屏，一個(gè)完整畫(huà)面周期等于524288個(gè)灰階時(shí)鐘時(shí)間(65536*8掃)，畫(huà)面刷新率約等于30Hz，無(wú)法滿(mǎn)足一般人眼的視覺(jué)敏感度60Hz，所以會(huì )感覺(jué)畫(huà)面有閃爍的現象，因此，可以藉由降低畫(huà)面灰度階數來(lái)提高刷新率，如果將灰度階數降低至12位，一個(gè)完整畫(huà)面周期將縮短到32768個(gè)灰階時(shí)鐘時(shí)間(4096*8掃)，畫(huà)面刷新率可提升約到480Hz，但是480Hz對于前述高規格需求來(lái)說(shuō)還是略嫌不足。
(2)把灰階數據分組
圖三. 16位灰階畫(huà)面分組成16組12位灰階畫(huà)面
一個(gè)完整16位灰階畫(huà)面必須由65536個(gè)GCK時(shí)間組成，藉由將畫(huà)面打散成16組(即每組由4096個(gè)GCK時(shí)間組成)，可將畫(huà)面刷新率提高16倍。此動(dòng)態(tài)屏的掃描行數設定為8，所以一個(gè)完整畫(huà)面周期為524288個(gè)GCK時(shí)間(65536*8掃)，才能完整顯示指定的灰階畫(huà)面。同時(shí)，1至16的灰階寬度總和必須等于16位灰階數據設定值。以灰階時(shí)鐘頻率為16MHz為例,顯示屏刷新率可提升到480Hz。
三.掃描型驅動(dòng)芯片解決方案:
掃描型驅動(dòng)芯片利用內建存儲器SRAM，預先儲存全部掃描數據數據于芯片，再采用掃描脈沖密度調變(MPDM)技術(shù)，將不同掃描數據畫(huà)面交錯顯示，藉由此技術(shù)可在不提高灰階時(shí)鐘頻率的情況下，大幅提升動(dòng)態(tài)掃描屏的畫(huà)面刷新率并且降低電磁干擾(EMI)影響。
掃描脈沖密度調變技術(shù)，將一個(gè)畫(huà)面周期分割成指定的段數，藉由交錯顯示不同掃描數據的技術(shù)來(lái)提升畫(huà)面刷新率，藉由MPDM技術(shù)，可在不增加灰階時(shí)鐘頻率的情況下，有效提高動(dòng)態(tài)驅動(dòng)顯示屏的畫(huà)面刷新率。
一個(gè)完整16位灰階畫(huà)面是由65536個(gè)單緣觸發(fā)的傳統灰階時(shí)鐘組成。因此，當顯示屏使用傳統PWM芯片時(shí)，控制器必須要傳送高速的灰階時(shí)鐘，來(lái)實(shí)現提高畫(huà)面刷新率的目的，但高速灰階時(shí)鐘也將造成嚴重的電磁干擾效應，影響顯示屏質(zhì)量。明陽(yáng)半導體MY9268掃描型驅動(dòng)芯片可采用雙緣觸發(fā)灰階時(shí)鐘設計，在灰階時(shí)鐘的正緣及負緣都可以執行畫(huà)面運作，一個(gè)完整16位灰階畫(huà)面只需要由32768個(gè)雙緣觸發(fā)灰階時(shí)鐘組成，可以有效降低灰階時(shí)鐘頻率至傳統PWM驅動(dòng)芯片的1/2及降低電磁干擾，且降低PCB對高頻時(shí)鐘的設計難度。
例如:當灰階時(shí)鐘頻率設定為16MHz時(shí)，
1/8掃驅動(dòng)，可顯示16位灰階(65,536階)且刷新率達16000Hz的高質(zhì)量畫(huà)面;
1/4掃驅動(dòng)，可顯示16位灰階(65,536階)且畫(huà)面率高達32000Hz的高質(zhì)量畫(huà)面。
在掃描驅動(dòng)的運用時(shí)，為了避免前掃描線(xiàn)及現在掃描線(xiàn)驅動(dòng)的LED同時(shí)被點(diǎn)亮，造成嚴重的畫(huà)面拖影現象，必須在三極管切換的過(guò)程中，把芯片的恒流輸出端關(guān)閉。MY9268掃描型驅動(dòng)芯片可以在二個(gè)掃描畫(huà)面之間，利用拉長(cháng)灰階時(shí)鐘執行自動(dòng)畫(huà)面插黑功能，全部的恒流輸出端在這段時(shí)間內將完全被關(guān)閉。
五.結論:
高刷新率已成為LED顯示屏未來(lái)趨勢，采用明陽(yáng)半導體MY9268掃描型驅動(dòng)芯片，不但可有效增加控制卡帶載芯片數量，并且完美實(shí)現高LED使用率及低電磁干擾的高端LED掃描屏。
作者簡(jiǎn)介
姓名：林俊甫
性別：男
籍貫：臺灣
職稱(chēng)：臺灣明陽(yáng)半導體(MY-Semi) 芯片設計工程師
學(xué)位：臺灣交通大學(xué)電信所 碩士
研究方向：LED驅動(dòng)芯片
聯(lián)系地址: 302臺灣新竹縣竹北市成功三路138號3樓
電話(huà)號碼: 886-3-6585656-602
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