小点间距显示屏常见问题与驱动芯片解决方案2014广州led展的启示（论文） .pdf

2014年电 子 科 学技术electronic science fine pitch display time multiplexing led driver ic dim line non uniformity 在今年的广州 led展 小点间距显示屏绝对是 各家显示屏厂商的重点 p3 9规格的显示屏被应用在 观赏距离约2 3米的产品 例如可置放于地面的直立 型广告机 用于取代传统的广告灯箱或者橱窗展示 色彩鲜明 画面清晰 亮度足够是其优势 p2 5规格 的显示屏可以说是在小点间距分类中的明星产品 主 要是因为p2 5 在室内 观赏距离1 2米内的应用基本 上能满足使用者需求 但是在刷新率 色彩表现 灰 阶 对比度以及低灰度细节的表现 各厂家的产品 就有差异了 在小点间距产品研发领先的厂家们也将 其p2以下的产品在广州展中曝光 p1 9 p1 8 p1 6 1 4 p1 2 p1 0 等各种规格同聚一堂 十分精彩 但是与 p2 5产品相仿 在刷新率 灰阶 低灰度表现上 仍 能比较出各厂家的产品差异 2014年 354355 第03期 蔡宗达等 小点间距显示屏常见问题与驱动芯片解决方案 2014广州led展的启示2014年 354355 vol 01 no 03 nov 2014 大问题 鬼影现象 开启预充电后第一行扫偏暗 开 启预充电后色偏 区块不均 鬼影现象是多行扫设计中最早被发现的低灰显 示问题之一 主因是显示屏换行的运行间 对于pcb 上的寄生电容的充放电因素导致让不该点亮的led点 亮 使用斜扫图案检验时更为明显 鬼影现象可分为 上鬼影与下鬼影现象 上鬼影现象 扫描运行时如图1所示 若第一行导通时 led1 发亮led3不亮 此时也会对第一行cpar1进行充电 而换至第二行导通时 若原本只应让led4发亮 但 led3也会随之发亮 因为pcb上的行寄生电容cpar1 被vled1进行充电且保持住 而在换列时经由led3 形成一泄放路径至driver ic使其led发亮 此为上鬼 影效应 解决方式是使用外加泄放电路做为行pcb寄生电 容的泄放路径 如图2所示 在换行时预先将行寄生 电容的电荷泄放 则可解决经由led为泄放路径的问 题 进而将上鬼影现象消除 事实上 显示屏的显示质量 一向与驱动芯片息 息相关 尤其在小点间距显示屏 为什么驱动芯片影响显示质量如此之大 原因在 于 多行扫设计 小点间距显示屏在相同的单位面积内 必须容纳 较大点间距显示屏更多的组件 灯板正面必须放置更 多的 led 灯点 以 p2 5 灯驱合一为例 1平方米灯 板面积里有 160 000 个 smd led灯点 灯板背面则需 配置驱动芯片以及电流设定电阻等组件 若使用静态 屏 就需要 30 000 个16通道驱动芯片以及30 000个电 流设定电阻 考虑走线以及增加 pcb 板层数增加的成 本 会发现多行扫设计是必须的 多行扫设计允许用 一颗驱动芯片点亮更多的 led 灯点 节省了驱动芯片 所需的布板面积 因此 当点间距越小时 便会使用 越高行扫数的设计 一般来说 p2 5规格显示屏会采 用16扫的设计 点间距小于2毫米的显示屏则会采用 高于16行扫的设计 多行扫设计节省了布板面积以及使用组件数量 但同时也带来了刷新率下降的副作用 刷新率的定 义是所有 led 灯点被点亮一次所需时间的倒数 单位 为hz 而多行扫设计的行为是第一行 led 灯点点亮 后 再点亮下一行 以此类推 直到最后一行点亮后 再回到第一行 因此 当行扫数增加一倍 点亮所有 灯点的时间会增加一倍 刷新率就会下降一倍 由此 可知 越高行扫数的设计 要做到高刷新率就越挑 战 使用内建缓存的驱动芯片 能够缩短传输灰阶数 据所需时间 增加刷新率 若驱动芯片本身支持倍频 技术 则刷新率可以再提升一倍 以mbi5152的实测 数据来看 p2 5 16扫 显示灰阶为14 bit的条件下 刷新率可达 3000hz左右 低灰显示效果同样是小点间距显示屏的重点课 题 这里所说的低灰显示效果 指的是led显示屏在 低灰阶级数 意即亮度很低的条件下表现高灰阶图案 的效果 由于小点间距显示屏的主要终端应用在室内 场合 亮度过高不适合人眼近距离观看 一般会将亮 度控制在600cd m2以下 因此特别要求低亮度 高灰 阶图案的显示效果 检验低灰阶级数显示效果 以下简称低灰阶级数 为低灰 的有效方式是透过在 led显示屏上显示特殊 的测试图案 例如 斜扫图案 不同颜色的单一灰阶 级数图案以及灰阶级数由低至高的单色图案 由以 上几种测试图案 可以检验出小点间距屏的低灰显 示缺陷 聚积科技对应多行扫设计推出的驱动芯片 mbi5151 mbi5152 mbi5153 解决了低灰显示的四 图1上鬼影现象 图2 上鬼影泄放电路架构 2014年电 子 科 学技术electronic science technology 356357 2014年 356357 下鬼影现象 扫描运行时如图3所示 若扫第一行时第一列导 通led1发亮第二列关断led3不亮 此时cpar1通过第 一列进行放电动作 当换至第二行 若原本只应第二 列导通led4发亮 但led2也会随之发亮 这是因为 列上的pcb寄生电容cpar1在扫第一行时被先行放电 至低电位 所以换行时会经由led2形成充电路径至 driver ic使其led发亮 此则称为下鬼影效应 运作 波形如图4所示 利用显示屏驱动ic内建的预充电电路如图5所 示 应用在换行扫描运作时预先做充电动作 可先行 将列上的pcb寄生电容充电 将列上的电压提高 而 做换行时则可阻断列电容的充电路径消除下鬼影效 应 消除下鬼影运作原理如图6所示 上屏观察结果 图7显示其下鬼影现象明显 图8 使用预充电技术将下鬼影现象消除 然而 为了消除鬼隐开启预充电功能会带来其他 问题 扫描屏运行方式为一行一行逐次点亮如图9所 图3下鬼影现象 图4 下鬼影效应波形 图5 驱动ic内建预充电路架构 图6 加入预充电路消除下鬼影原理 图7 下鬼影现象明显 2014年 356357 第03期 蔡宗达等 小点间距显示屏常见问题与驱动芯片解决方案 2014广州led展的启示2014年 356357 图8 预充电技术 下鬼影现象消除 示 若当一帧 frame 的led关闭时间远大于导通时间 时 pcb灯板上的寄生电容效应会导致列电压提高 特别是对第一行扫导通时列电压会较其他行扫的列电 压高 导致第一行扫导通时的led电流变小 造成第 一行led亮度降低如图10所示 于实际点屏显示时则 可观察到有第一行扫有偏暗的现象 应用行扫补偿技术在行扫进行时针对第一行做电 图9 扫描屏运行方式 图10 行扫运行pcb寄生电容影响 流补偿 来补充因pcb灯板上电容效应损失的电流 以 消除扫描显示屏于第一行产生的暗线问题 图11为理想 led的电流波型 图12为受pcb灯板上的电容效应影响 的波形 图13则为本文所提出补偿技术之结果 图14是一个32 32的16扫模块 使用的测试图案 是低灰单色样式 可以注意到图片最上方及中间都有 第一行扫偏暗的现象 上屏观察结果 图14显示有行 扫暗线问题 图15是在开启 mbi515x 系列驱动芯片 的消除第一行扫偏暗功能后所拍摄的 第一行扫偏暗 的消除效果良好 图16与图17使用的测试图案是低灰白色样式 预充电功能开启 可以观察到模块有偏红的现象 图11 理想led电流 图12 实际led电流 图13 补偿led电流技术 图14 一行暗线问题 图15 电流补偿技术消除暗线 2014年电 子 科 学技术electronic science technology 358359 2014年 358359 mbi515x 系列驱动芯片具备修正色偏的功能 图17中 的模块使用 mbi5152 在开启预充电的情况下消除了 色偏的现象 在低灰的条件下 亮度不均的现象特别容易被 观察到 因此对于驱动芯片的一致性要求就会更加严 苛 为了解决下鬼影的问题我们会做预充电的动作 来提高列的电位 但这种方式会衍生出区块亮度不均 的问题 在显示低灰阶画面时较为明显能为人眼所查 觉 若显示中高灰阶的画面发生区块不均的现象 则可能是因为pcb布局的差异 以及驱动芯片间的差 异使得电位不一致所产生的结果 图18与图19使用的 测试图案是低灰单色样式 图18以中央为十字线为分 隔 可以观察到四个区域的亮度不一 每一区块为16 x16灯点 由三个驱动芯片控制 r g b三色 led 但 是驱动芯片的一致性不佳 因此呈现以 ic 为单位的亮 度不均问题 如图19所示 左边跟右边的明亮度会有差异 而 且是以ic区块为单位 图19为使用 mbi5152 的模块 可以发现整面模块 亮度均匀 表现出驱动芯片的高一致性 另一种亮度不均匀的现象则是以像素点为单位 俗称花屏现象 led颗粒本身的电气特性与制程相 关 不同批次的制程偏移会造成不同批次led特性不 尽相同 同一批次的led颗粒间也会有误差量 这些 图16 开启预充电后低灰 偏红 图17 开启预充电后 无低灰色偏 图18 以ic为单位的曲块亮 度不均问题 图19 亮度均匀一致 特性误差总和导致了花屏现象 如图20所示 在整个 画面显示相同灰阶 然而单一像素点的亮度不同且分 布非常杂乱 即使提高亮度也无法明显改善 亮度校 正是改善花屏现象的有效方式 但是使用亮度校正 的成本高 且led老化以后需要再重新校正 亦即每 隔一段时间需要校正一次 维护的时间成本较高 mbi515x内建亮度均化的方式 使得整面屏亮度表现 更为均匀平顺 如图21所示 mbi515x 系列驱动芯片解决了小点间距屏的低 灰四大问题 同时兼顾高刷新率以及高灰阶 让高行 扫数的灯驱合一方案变得可行 2014年推出的内建缓 存 支持32行扫恒流驱动芯片 mbi5153 更具备了两 项进阶功能 进阶功能1 消除渐层暗线 图22的测试图案是白色渐层样式 图案是由0灰 阶级数到向右渐增至256灰阶级数 用来检验显示屏 的色阶变化细腻程度 线性度以及对比度 在视频播 放上的实现即为是否能精准呈现画面的细节 使用这 个测试图案时 第一行扫偏暗的情况在低灰阶级数的 区段会十分明显 图23是使用 mbi5153 模块的测试实 拍 可以观察到渐层暗线消除的同时 依然维持细腻 的灰阶级数变化以及高对比度表现 进阶功能2 消除十字架功能 led 坏点造成的十字架现象对于显示屏终端用 户相当困扰 尤其在高行扫的设计 十字架现象除了 图20 同一灰阶呈现画面杂乱 图21 同一灰阶呈现画面均匀 2014年 358359 第03期 蔡宗达等 小点间距显示屏常见问题与驱动芯片解决方案 2014广州led展的启示2014年 358359 图22 渐层暗线明显 图23 渐层暗线消除 水平方向延伸的灯点误亮外 垂直方向的灯点误亮也 会随行扫数变高而延伸 小点间距屏经常采用高于16 行扫的设计 一旦有led坏点出现时 十字架现象会 相当明显 造成显示画面瑕疵 图24使用测试图案为 白色单色斜扫样式 led坏点故障情形为蓝光led故 障 因此坏点会偏黄色 同时有以坏点为中心的十字 架现象产生 图25为开启消除十字架功能后的测试实 拍 可观察到十字架现象完全消除 图24 出现led坏点造成的十字架现象 图25 十字架现象消除 回顾全彩 led显示屏的发展 早期led发光效率 不足 显示屏产品以户外应用为主 因此显示屏制造 商以追逐高亮度为第一优先 时至今日 小点间距产 品开始进入市场 显示屏从户外走进户内 终端应用 的需求改变了 导播室 控制中心 室内广告屏不仅 要求高刷新率 高灰阶 更要求近距离观看的细致低 灰显示效果 显示屏制造商的挑战提高了 不论是在 电子设计 制造工艺 成本控制各种面相都建立了新 门坎 只有愿意投入研发能量的制造商才能接受市场 考验 蔡宗达 1983 男 台湾 聚积科技技 术市场部led显示屏芯片产品总监 台 湾清华大学工学硕士 主要研究领域为 仿真集成电路设计 功率集成电路设计 与led驱动芯片设计及其应用 曾担任 聚积科技仿真集成电路研发工程师 开 发各类型led驱动芯片产品 研发解决 emi的电路技术 并申请专利 e mail kurt tw 作者简介 小点间距显示屏常见问题与驱动芯片解决方案 2014广州led展的启示小点间距显示屏常见问题与驱动