近年來，LED顯示屏被廣泛運(yùn)用在各種大型運(yùn)動賽事及國際活動中，例如:北京奧運(yùn)及上海世博會，加上各式攝像器材在快門及攝像速度技術(shù)的日新月異，一般240Hz刷新率的LED掃描屏在拍攝時將會出現(xiàn)掃描波紋及畫面灰階丟失的問題，造成攝像質(zhì)量變差，已無法滿足高端市場的需求，因此，高刷新率掃描屏的技術(shù)發(fā)展逐漸獲得重視，驅(qū)動芯片也順應(yīng)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)
畫面刷新率 (Refresh rate)
適應(yīng)性脈波密度調(diào)變 (APDM)
掃描脈沖密度調(diào)變(MPDM)
LED驅(qū)動芯片 (LED driver)
MY9262
MY9268
一.LED顯示屏在數(shù)碼相機(jī)攝像及高速攝像機(jī)下遭遇的問題:
(1)掃描條紋問題
當(dāng)我們對掃描屏攝像時，經(jīng)常會出現(xiàn)的掃描條紋線，原因來自于顯示屏的行掃描頻率過低，為了消除這種現(xiàn)象，掃描頻率需要遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過快門時間。一般戶內(nèi)拍攝時，快門設(shè)定時間約為1/60~1/200秒，所以為了拍攝高質(zhì)量的攝像畫面，必須要求顯示屏畫面刷新頻率為1,000Hz以上。
(2)畫面灰階丟失問題
在針對LED掃描屏攝影時，會出現(xiàn)原本畫面中很均勻的灰度轉(zhuǎn)換過程，攝像的效果卻只有少數(shù)層次變化，部份的灰階變化無法呈現(xiàn)在攝像成品中，這種現(xiàn)象就是畫面灰階丟失問題。這種現(xiàn)象也是因?yàn)轱@示屏畫面刷新率過低，無法滿足相機(jī)的快門設(shè)定時間所造成的問題，為了完整地拍到整個灰度轉(zhuǎn)換的各個灰階，必須要提高顯示屏的畫面刷新頻率，保證每次快門打開時間內(nèi)可以包含多次的畫面更新。在戶外攝影的快門經(jīng)常設(shè)定在1ms以下，因此畫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(jié)果。
(3)高速攝像機(jī)拍攝問題
在大型運(yùn)動賽事會場中，經(jīng)常需要架設(shè)高速攝影機(jī)來補(bǔ)捉精彩時刻的畫面，或者必須利用高速攝影機(jī)畫面來判定競賽的勝負(fù)結(jié)果，此時，在會場中的LED掃描屏如果刷新率太低，將嚴(yán)重影響攝像質(zhì)量，目前，高速攝像機(jī)拍攝1280 x 1024高畫素影像時，每秒可高達(dá)1000~2500張畫面，因此必須保證LED掃描屏畫面刷新率在12500Hz以上，才能確保攝像畫面不會出現(xiàn)掃描條紋及灰階丟失的問題產(chǎn)生。這些高畫面刷新率的掃描屏需求，在使用傳統(tǒng)Scramble-PWM的驅(qū)動芯片下很難完成這樣的規(guī)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題的限制。
二.現(xiàn)有高畫面刷新率LED掃描屏解決方案:
以靜態(tài)驅(qū)動方式來實(shí)現(xiàn)高畫面刷新率LED顯示屏，可以使用內(nèi)建PWM功能的驅(qū)動芯片來提高LED使用率，以明陽半導(dǎo)體的MY9262為例，內(nèi)建16位灰階計數(shù)器，并使用APDM技術(shù)將恒流輸出波形依據(jù)灰階數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)平均打散成64段或128段，可降低因非對稱電流響應(yīng)造成的損耗，并且大幅提高畫面刷新率，在灰階時鐘GCK等于16MHz操作條件下，16位灰階畫面刷新率可高達(dá)15000Hz(見圖一所示)，但是靜態(tài)驅(qū)動方式必須使用為數(shù)眾多的恒流驅(qū)動芯片才能實(shí)現(xiàn)。
圖一. 利用APDM技術(shù)提高畫面刷新率
如果此類芯片使用在動態(tài)掃描屏?xí)r，以1/8掃驅(qū)動為例(見圖二所示)，ROW1的LED只有在自己的掃描行時間下才會被點(diǎn)亮，必須等待ROW2~ROW8行掃描時間都完成16位灰階畫面后，LED才會再次被點(diǎn)亮，因此，16位灰階掃描屏的畫面刷新率仍然無法被提高，但是可以利用(1)降低畫面灰度階數(shù)或(2)將灰階數(shù)據(jù)分組來提高掃描屏畫面刷新率。
圖二. 傳統(tǒng)APDM/PWM芯片在1/8掃驅(qū)動的電流輸出波形
(1)降低畫面灰階數(shù)實(shí)現(xiàn)掃描屏
以灰階時鐘GCK=16MHz實(shí)現(xiàn)16位灰階的1/8掃驅(qū)動掃描屏，一個完整畫面周期等于524288個灰階時鐘時間(65536*8掃)，畫面刷新率約等于30Hz，無法滿足一般人眼的視覺敏感度60Hz，所以會感覺畫面有閃爍的現(xiàn)象，因此，可以藉由降低畫面灰度階數(shù)來提高刷新率，如果將灰度階數(shù)降低至12位，一個完整畫面周期將縮短到32768個灰階時鐘時間(4096*8掃)，畫面刷新率可提升約到480Hz，但是480Hz對于前述高規(guī)格需求來說還是略嫌不足。
(2)把灰階數(shù)據(jù)分組
圖三. 16位灰階畫面分組成16組12位灰階畫面
一個完整16位灰階畫面必須由65536個GCK時間組成，藉由將畫面打散成16組(即每組由4096個GCK時間組成)，可將畫面刷新率提高16倍。此動態(tài)屏的掃描行數(shù)設(shè)定為8，所以一個完整畫面周期為524288個GCK時間(65536*8掃)，才能完整顯示指定的灰階畫面。同時，1至16的灰階寬度總和必須等于16位灰階數(shù)據(jù)設(shè)定值。以灰階時鐘頻率為16MHz為例,顯示屏刷新率可提升到480Hz。
三.掃描型驅(qū)動芯片解決方案:
掃描型驅(qū)動芯片利用內(nèi)建存儲器SRAM，預(yù)先儲存全部掃描數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)于芯片，再采用掃描脈沖密度調(diào)變(MPDM)技術(shù)，將不同掃描數(shù)據(jù)畫面交錯顯示，藉由此技術(shù)可在不提高灰階時鐘頻率的情況下，大幅提升動態(tài)掃描屏的畫面刷新率并且降低電磁干擾(EMI)影響。
掃描脈沖密度調(diào)變技術(shù)，將一個畫面周期分割成指定的段數(shù)，藉由交錯顯示不同掃描數(shù)據(jù)的技術(shù)來提升畫面刷新率，藉由MPDM技術(shù)，可在不增加灰階時鐘頻率的情況下，有效提高動態(tài)驅(qū)動顯示屏的畫面刷新率。
一個完整16位灰階畫面是由65536個單緣觸發(fā)的傳統(tǒng)灰階時鐘組成。因此，當(dāng)顯示屏使用傳統(tǒng)PWM芯片時，控制器必須要傳送高速的灰階時鐘，來實(shí)現(xiàn)提高畫面刷新率的目的，但高速灰階時鐘也將造成嚴(yán)重的電磁干擾效應(yīng)，影響顯示屏質(zhì)量。明陽半導(dǎo)體MY9268掃描型驅(qū)動芯片可采用雙緣觸發(fā)灰階時鐘設(shè)計，在灰階時鐘的正緣及負(fù)緣都可以執(zhí)行畫面運(yùn)作，一個完整16位灰階畫面只需要由32768個雙緣觸發(fā)灰階時鐘組成，可以有效降低灰階時鐘頻率至傳統(tǒng)PWM驅(qū)動芯片的1/2及降低電磁干擾，且降低PCB對高頻時鐘的設(shè)計難度。
例如:當(dāng)灰階時鐘頻率設(shè)定為16MHz時，
1/8掃驅(qū)動，可顯示16位灰階(65,536階)且刷新率達(dá)16000Hz的高質(zhì)量畫面;
1/4掃驅(qū)動，可顯示16位灰階(65,536階)且畫面率高達(dá)32000Hz的高質(zhì)量畫面。
在掃描驅(qū)動的運(yùn)用時，為了避免前掃描線及現(xiàn)在掃描線驅(qū)動的LED同時被點(diǎn)亮，造成嚴(yán)重的畫面拖影現(xiàn)象，必須在三極管切換的過程中，把芯片的恒流輸出端關(guān)閉。MY9268掃描型驅(qū)動芯片可以在二個掃描畫面之間，利用拉長灰階時鐘執(zhí)行自動畫面插黑功能，全部的恒流輸出端在這段時間內(nèi)將完全被關(guān)閉。
五.結(jié)論:
高刷新率已成為LED顯示屏未來趨勢，采用明陽半導(dǎo)體MY9268掃描型驅(qū)動芯片，不但可有效增加控制卡帶載芯片數(shù)量，并且完美實(shí)現(xiàn)高LED使用率及低電磁干擾的高端LED掃描屏。
作者簡介
姓名：林俊甫
性別：男
籍貫：臺灣
職稱：臺灣明陽半導(dǎo)體(MY-Semi) 芯片設(shè)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(qū)動芯片
聯(lián)系地址: 302臺灣新竹縣竹北市成功三路138號3樓
電話號碼: 886-3-6585656-602
電子信箱: jf_lin@my-semi.com.tw
