LED驱动器提升全彩视频显示屏的性能
前言
广告显示屏或数字标牌是led应用最广泛的领域之一。从单色显示屏到全彩显示屏，led解决方案被广泛用于市场需求和复杂程度不同的路标指示牌、广告显示屏、户内外视频显示屏等。
本文主要论述全彩led视频显示屏的主要技术要求，以及如何实现所需的性能。
全彩led视频显示屏
全彩led视频显示屏是能够以数百万种颜色显示影像和动画的显示屏。led显示屏应用场景包括体育场、建筑外观、购物中心、电视演播室。
大型led显示屏被用于播放广告和资讯，重播体育赛事或音乐会。
图1 是led显示屏结构简图。
1：led全彩视频显示屏简图
不同类型的视频信源提供的视频输入信号经过处理后被送入led显示屏。
整个显示屏通常由若干个正方形或矩形的点阵组成，每个点阵又由若干个像素组成。每个像素由rgb (红、绿、蓝)led灯管组成，通过混合这些led的灯光颜色，就可产生所需的像素信息。led驱动器相当于被处理后的视频数据与rgb led发出的彩色灯光之间的接口(图像就是由这些彩色光线构成的)。
从大型led视频显示屏的目标应用考虑，我们很容易意识到画质所扮演的重要作用。
这个概念包含几方面的内容:
原始图像的信号质量以及数据处理能力是取得良好画质的前提条件。
显示屏的大小、分辨率高低、像素间距和led选择是决定人眼感受到的画质的关键参数。
需要选择一个适合的led驱动器，能够把处理后的图像数据转换成所需的彩色和动画效果。
鉴于本文的目的是描述led显示屏的led驱动器解决方案，我们将在以下的章节重点介绍上面提到三方面内容的最后一点。
led显示屏对led驱动器的要求
在彩色和动画方面，为取得优异的画质，需要整合多种不同的功能：高帧率、高刷新率、颜色还原精度等。
不过，显示屏的质量不仅指图像本身，还指解决方案的整体质量，例如，抗干扰性和可靠性。
因此，所有的彩色led显示屏需要选择技术精密的led驱动器：
良好的显色性取决于每个rgb(以及每个颜色)的有效亮度:有效亮度越高，显示的颜色越丰富。合理而精细地控制亮度需要利用pwm调光技术控制大量的亮度。
高帧率和高刷新率需要高速率地处理大量数据。led驱动器可利用高频串口和灵活的数据格式管理功能满足这些要求。
一支或多支led灯管失效会影响像素颜色的精度，危及影像的整体视觉效果，影响系统的画质。让显示屏保持理想视觉效果需要一个可靠的led失效条件检测方法。
全彩视频显示屏led驱动器解决方案
意法半导体拥有各种显示器和数字标牌led驱动器产品，其中stp1612pw05 (见图 2)是意法半导体为全彩led视频显示屏专门研制的led驱动器。
这款产品是一个16通道led驱动器，内置一个高频串行数据接口。每路通道的最大输出电流为60ma，可以通过一个外部电阻器调节输出电流，使用一个8位增益寄存器可以精确调节256级灰度。
在更低的电流下提高电流精度(通道之间典型值 ± 1.5% )符合led技术的发光效率改进要求。实际上，高能效led的问世让显示屏制造商能够使用更低的电流led驱动器取得相同的亮度。
该产品为每路输出通道配备了独立的可调pwm亮度控制功能。众所周知的pwm调光功能在led色彩保护方面的优势以及4096(12位)或65536(16位)级可调亮度，最终可使色差和画质得到明显改进。
此外，为进一步提升调光控制功能，该产品还采用了scrambled pwm模式。pwm总周期基本上覆盖了很多刷新周期，效果就是像提高调光频率而保持调光分辨率不变，从而降低画面闪动。
stp1612pw05内置串行接口符合显示屏的高速数据速率和数据格式灵活性要求：数据发送时钟频率可高达30mhz，采用16x16位格式(若亮度选择4096级，数据格式为6x12位)或压缩度更高的256位格式。
正如前文提到的，一个抗干扰性强且可靠的led驱动器可大幅提升系统的总体质量。
当发现失效的led灯管(开路或短路)时，stp1612pw05 会把检测结果通过串行接口送到微控制器，从而避免相关像素的颜色变化或关闭，保护图像的一致性。
2：stp1612pw05结构简图
在一帧视频图像开始时所有的led灯管同时导通，这会产生上升斜率很大的涌流，这意味着需要很大的输入电容，寄生通道会产生振荡，系统产生噪声。把四路连续输出组成一组(第1组out0、out1、out2和out3;第2组从out4到out7;按照这个顺序排列下去)，每组之间连续延时40ns，使输出通道的导通时间错开，这样可以大幅降低涌流。
因为任何原因(线路断开)导致pwclk时钟信号不存在(pwm计数器时钟信号，用于进行pwm调光控制)，这会让显示屏上的所有led无限期地导通。
除影响图像正确显示外，这种意外事件还会烧毁或损坏led灯管。stp1612pw05内置可以激活pwm时钟超时断开的保护功能：当pwclk信号消失1秒以上时，信号发生器将被强制关闭。
应用示例
实现目标亮度的led正向电压与可设置的电流随着led颜色不同而变化：在红光、绿光和蓝光三种颜色led中，红光led的正向电压最低，蓝光led的驱动电流最低。因此，建议每种灯光颜色使用不同的驱动器。
图3 描述了一个采用stp1612pw05实现的应用示例。
3：通过stp1612pw05驱动一个全彩led显示屏点阵的设计简图
每个显示屏点阵是由16个像素组成，每个像素是由4支彩色led灯管(1支红的、1支蓝的、2支绿的)组成。
16支相同颜色的led由一颗stp1612pw05驱动。
led电源电压(vled)的选择是在几个通常是对立的需求之间的一种平衡考量。
vled 电压应该足够高，使led能够保持正确的通态，但是应最大限度地降低led驱动器的电流发生器的电压降，否则会引起无用的功耗，并导致芯片和系统过热。
显然，红光 、绿光和蓝光共用一个vled电压并不是最佳的解决方案。理想的解决方案是优化led电源电压，把led灯管的电压轨分开可以取得理想的效果。
这需要合理地驱动所有的led灯管，同时节省电能。
结论
全彩led视频显示屏的高质量要求给设计人员选择适合的led驱动器选带来新的挑战。
卓越的颜色还原性能和视频失真最小化是这些应用的基本要求。
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本文主要论述全彩led视频显示屏的主要技术要求，以及如何实现所需的性能。
全彩led视频显示屏
全彩led视频显示屏是能够以数百万种颜色显示影像和动画的显示屏。led显示屏应用场景包括体育场、建筑外观、购物中心、电视演播室。
大型led显示屏被用于播放广告和资讯，重播体育赛事或音乐会。
图1 是led显示屏结构简图。
1：led全彩视频显示屏简图
不同类型的视频信源提供的视频输入信号经过处理后被送入led显示屏。
整个显示屏通常由若干个正方形或矩形的点阵组成，每个点阵又由若干个像素组成。每个像素由rgb (红、绿、蓝)led灯管组成，通过混合这些led的灯光颜色，就可产生所需的像素信息。led驱动器相当于被处理后的视频数据与rgb led发出的彩色灯光之间的接口(图像就是由这些彩色光线构成的)。
从大型led视频显示屏的目标应用考虑，我们很容易意识到画质所扮演的重要作用。
这个概念包含几方面的内容:
原始图像的信号质量以及数据处理能力是取得良好画质的前提条件。
显示屏的大小、分辨率高低、像素间距和led选择是决定人眼感受到的画质的关键参数。
需要选择一个适合的led驱动器，能够把处理后的图像数据转换成所需的彩色和动画效果。
鉴于本文的目的是描述led显示屏的led驱动器解决方案，我们将在以下的章节重点介绍上面提到三方面内容的最后一点。
led显示屏对led驱动器的要求
在彩色和动画方面，为取得优异的画质，需要整合多种不同的功能：高帧率、高刷新率、颜色还原精度等。
不过，显示屏的质量不仅指图像本身，还指解决方案的整体质量，例如，抗干扰性和可靠性。
因此，所有的彩色led显示屏需要选择技术精密的led驱动器：
良好的显色性取决于每个rgb(以及每个颜色)的有效亮度:有效亮度越高，显示的颜色越丰富。合理而精细地控制亮度需要利用pwm调光技术控制大量的亮度。
高帧率和高刷新率需要高速率地处理大量数据。led驱动器可利用高频串口和灵活的数据格式管理功能满足这些要求。
一支或多支led灯管失效会影响像素颜色的精度，危及影像的整体视觉效果，影响系统的画质。让显示屏保持理想视觉效果需要一个可靠的led失效条件检测方法。
全彩视频显示屏led驱动器解决方案
意法半导体拥有各种显示器和数字标牌led驱动器产品，其中stp1612pw05 (见图 2)是意法半导体为全彩led视频显示屏专门研制的led驱动器。
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在更低的电流下提高电流精度(通道之间典型值 ± 1.5% )符合led技术的发光效率改进要求。实际上，高能效led的问世让显示屏制造商能够使用更低的电流led驱动器取得相同的亮度。
该产品为每路输出通道配备了独立的可调pwm亮度控制功能。众所周知的pwm调光功能在led色彩保护方面的优势以及4096(12位)或65536(16位)级可调亮度，最终可使色差和画质得到明显改进。
此外，为进一步提升调光控制功能，该产品还采用了scrambled pwm模式。pwm总周期基本上覆盖了很多刷新周期，效果就是像提高调光频率而保持调光分辨率不变，从而降低画面闪动。
stp1612pw05内置串行接口符合显示屏的高速数据速率和数据格式灵活性要求：数据发送时钟频率可高达30mhz，采用16x16位格式(若亮度选择4096级，数据格式为6x12位)或压缩度更高的256位格式。
正如前文提到的，一个抗干扰性强且可靠的led驱动器可大幅提升系统的总体质量。
当发现失效的led灯管(开路或短路)时，stp1612pw05 会把检测结果通过串行接口送到微控制器，从而避免相关像素的颜色变化或关闭，保护图像的一致性。
2：stp1612pw05结构简图
在一帧视频图像开始时所有的led灯管同时导通，这会产生上升斜率很大的涌流，这意味着需要很大的输入电容，寄生通道会产生振荡，系统产生噪声。把四路连续输出组成一组(第1组out0、out1、out2和out3;第2组从out4到out7;按照这个顺序排列下去)，每组之间连续延时40ns，使输出通道的导通时间错开，这样可以大幅降低涌流。
因为任何原因(线路断开)导致pwclk时钟信号不存在(pwm计数器时钟信号，用于进行pwm调光控制)，这会让显示屏上的所有led无限期地导通。
除影响图像正确显示外，这种意外事件还会烧毁或损坏led灯管。stp1612pw05内置可以激活pwm时钟超时断开的保护功能：当pwclk信号消失1秒以上时，信号发生器将被强制关闭。
应用示例
实现目标亮度的led正向电压与可设置的电流随着led颜色不同而变化：在红光、绿光和蓝光三种颜色led中，红光led的正向电压最低，蓝光led的驱动电流最低。因此，建议每种灯光颜色使用不同的驱动器。
图3 描述了一个采用stp1612pw05实现的应用示例。
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16支相同颜色的led由一颗stp1612pw05驱动。
led电源电压(vled)的选择是在几个通常是对立的需求之间的一种平衡考量。
vled 电压应该足够高，使led能够保持正确的通态，但是应最大限度地降低led驱动器的电流发生器的电压降，否则会引起无用的功耗，并导致芯片和系统过热。
显然，红光 、绿光和蓝光共用一个vled电压并不是最佳的解决方案。理想的解决方案是优化led电源电压，把led灯管的电压轨分开可以取得理想的效果。
这需要合理地驱动所有的led灯管，同时节省电能。
结论
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