LED工藝技術介紹-LED顯示屏驅動芯片的應用
類別：技術與產品發表于：2011-11-03 14:26
關鍵字：LED 工藝技術 顯示屏 驅動芯片
1 引言
LED顯示屏作為一項高科技產品引起了人們的高度重視，采用計算機控制，將光、電融為一體的大屏幕智能顯示屏已經應用到很多領域。LED顯示屏的像素點采用LED發光二極管，將許多發光二極管以點陣方式排列起來，構成LED陣列，進而構成LED屏幕。通過不同的LED驅動方式，可得到不同效果的圖像。因此驅動芯片的優劣，對LED顯示屏的顯示質量起著重要的作用。
LED驅動芯片可分為通用芯片和專用芯片。通用芯片一般用于LED顯示屏的低端產品，如戶內的單、雙色屏等。最常用的通用芯片是74HC595，具有8位鎖存、串一并移位寄存器和三態輸出功能。每路最大可輸出35 mA的電流(不是恒流)。一般IC廠家都可生產此類芯片。
由于LED是電流特性器件，即在飽和導通的前提下，其亮度隨著電流大小的變化而變化，不是隨著其兩端電壓的變化而變化。因此，專用芯片的一個最大特點是提供恒流源。恒流源可保證LED的穩定驅動，消除LED的閃爍現象。下面將重點介紹LED顯示屏的專用驅動芯片。
2 專用芯片的主要參數和發展現狀
專用芯片具有輸出電流大、恒流等基本特點，比較適用于要求大電流、畫質高的場合，如戶外全彩屏、室內全彩屏等。專用芯片的關鍵性能參數有最大輸出電流、恒流源輸出路數、電流輸出誤差(bit to bit，chip to chip)和數據移位時鐘等。
1) 最大輸出電流
目前主流的恒流源芯片最大輸出電流多定義為單路最大輸出電流，一般90 mA左右。電流恒定是專用芯片的基本特性，也是得到高畫質的基礎。而每個通道同時輸出恒定電流的最大值(即最大恒定輸出電流)對顯示屏更有意義，因為在白平衡狀態下，要求每一路都同時輸出恒流電流。一般最大恒流輸出電流小于允許的最大輸出電流。
2) 恒流輸出通道
恒流源輸出路數有8位(8路恒源)和16位(16路恒源)兩種規格，現在16位源占主流，其主要優勢在于減少了芯片尺寸，便于LED驅動板(PCB)布線，特別是對于點間距較小的LED驅動板更有利。
3) 電流輸出誤差
電流輸出誤差分為兩種，一種是位間電流誤差，即同一個芯片每路輸出之間的誤差；另一種是片間電流誤差，即不同芯片之間輸出電流的誤差。電流輸出誤差是個很關鍵的參數，對顯示屏的均勻性影響很大。誤差越大，顯示屏的均勻性越差，很難使屏體達到白平衡。目前主流恒流源芯片的位間電流誤差(bit to bit)一般在+60%以內，(chip to chip)片間電流誤差在±15％以內。
4) 數據移位時鐘
數據移位時鐘決定了顯示數據的傳輸速度，是影響顯示屏的更新速率的關鍵指標。作為大尺寸顯示器件，顯示刷新率應該在85 Hz以上，才能保證穩定的畫面(無掃描閃爍感)。較高的數據移位時鐘是顯示屏獲取高刷新率畫面的基礎。目前主流恒流源驅動芯片移位時鐘頻率一般都在15 MHz以上。
在LED上游外延片、芯片生產上，美國、日本、歐盟仍擁有很大的技術優勢，而中國臺灣地區則已成為全球重要的LED生產基地。雖然中國在LED外延片、芯片的生產技術上距離國際先進水平還有較大差距，國內芯片、外延片的生產還集中在中低端產品，但是國內龐大的應用需求，給LED下游廠商帶來巨大的發展機會。雖然各種芯片的解決方案都是用于驅動LED顯示屏，但由于各種芯片所具備的功能不同，故驅動方案的特性也各有不同。下面介紹目前在我國占主流地位的16位恒流LED顯示屏驅動芯片，并從應用的角度對它們進行分析比較。
3 幾種驅動解決方案介紹和比較
3.1 TLC5941驅動芯片
TLC5941芯片是TI(德州儀器)公司*新推出的，具有點校正、高灰度等級(PWM控制)等特點。 TLC5941所有內部數據寄存器，灰度寄存器，點校正寄存器和錯誤狀態信息都通過串行接口存取，最大串行時鐘頻率30 MHz，片間電流誤差一般在±6％以內，位間電流誤差一般在±4％以內，每通道最大輸出電流80 mA。
TLC5941的每個通道可用PWM方式根據內部灰度寄存器的值進行4 096級灰度控制，該寄存器是12位的，每個通道LED的驅動電路由6位點校正寄存器的值進行64級控制，且驅動電流的最大值可通過片外電阻設定。64級電流控制提供了LED點灰度校正的能力，4 096級灰度調整則保證了即使在較低的灰度等級下，點陣中的每個點也有多達256級的灰度表示，從而紅綠藍全彩屏可有16M色的色彩表達能力，這兩點對于高質量的彩色大屏幕顯示是格外重要的。相對于傳統的彩色大屏幕顯示系統，集中產生PWM進行灰度控制，可編程邏輯芯片(或高速CPU)只需要處理緩存管理、灰度和點校正數據的輸出，設計復雜度降低，且由于PWM的灰度控制與數據串行移出無關，可很方便地獲得較高幀頻，取得很好的動態顯示效果。
為了保障彩色大屏幕的可靠運行，TLC5941提供了每一路LED開路(LOD)和過溫檢測(TSD) 的能力，內置集電極開路輸出電路，用于出錯時報警。16個通道中無論哪個通道有錯誤發生，內置集電極開路輸出電路的輸出管腳就會被拉到低電平，通過查詢芯片的內部狀態信息，就可知道哪一路出現故障，系統中所有TLC5941內置集電極開路輸出電路的輸出管腳可接到一起，通過上拉電阻接到高電平，通過監控這個信號，系統可在運行過程中進行自我診斷。TLC5941適用于工作環境比較惡劣同時對顯示效果要求很高以及對安全性能要求很高的場合，比如高速公路的 LED信息指示牌，大型的露天LED電視等。
3.2 MBI5028驅動芯片
MBI5028是臺灣MBI(聚積科技)公司推出的一款有可編程電流增益功能的LED屏驅動芯片。它內置串并移位寄存器和輸出鎖存器，且采用PrecisionDrive技術以得到更優良的電氣特性。MBl5028的最大串行時鐘頻率為25 MHz，片間電流誤差一般在±6％以內，位間電流誤差一般在±3％以內，最大輸出電流為90 mA。
MBI5028內建電流增益控制邏輯單元，可編程電流增益功能采用Share-IO技術，無須增加額外的管腳，只需在對應的管腳輸入一特定的序列信號，就可進入MBI5028的特殊功能模式--電流調整模式。在該模式下，可通過系統微控制器，向電流增益控制邏輯單元寫入不同電流增益的數據，鎖存這些數據，并通過內建數字與模擬共享的轉換器，有效控制電流的輸出。由于工作環境的變化和LED屏老化，LED屏亮度將會降低，如以一個固定順向電流，LED 屏的亮度偏差就會較小。通過可編程的電流增益功能和PrecisionDrive技術，可調整電流偏差，補償 LED屏的亮度，同時獲得比較高質量的圖像。利用PrecisionDrive技術并內建數字與模擬共享的轉換器，在相同精確度下，通過改變數字碼的方式，從而獲得相對的輸出電流，進而提高LED屏的成像質量。
目前的技術可以為LED顯示屏提供256個電流等級，使其達到1 200％的總動態范圍，提供256個輸出電流等級。在電氣特性和芯片封裝方面，MBI5026兼容性比較好，使用者不用更改以前為同類型芯片設計的PCB 板，就可獲得具有Share-IO技術的電流增益技術，能大大地降低升級成本。MBI5026適用于工作環境條件并不苛刻，但要求高質量成像的LED屏驅動方案上，比如室內的大型LED顯示屏等中低端屏幕。同時MBI5028還適用于老驅動芯片的升級。
3.3 ST2221C驅動芯片
ST2221C是中國臺灣SITI(點晶科技)公司推出的一款LED屏驅動芯片。它內置串并移位寄存器單元、輸出鎖存器單元和電流輸出控制單元，電氣特性較為優良。ST2221C的最大串行時鐘頻率為25 MHz，片間電流誤差一般在±10％以內，位間電流誤差一般在±6％以內，最大輸出電流為120 mA。ST2221C包含16通道恒流驅動單元，能同時驅動16路LED。它適用于一些低端屏的驅動，比如室內信息屏等低端LED顯示屏。
4 存在的問題
4.1 功耗及發熱問題
由于輸出電流較大，LED顯示屏芯片的功耗和發熱問題一直是阻擾驅動芯片發展的第*因素。在將來可能出現的手持式LED顯示屏的驅動方式上，這個問題將會變得尤為突出。隨著LED器件制造工藝水平的進步和驅動電流的減小，問題會逐步得到解決。
4.2 應用成本問題
一塊主流16位穩態電流LED顯示屏驅動芯片只能驅動16路的LED器件。一塊分辨力為1 024×768的LED顯示屏就必須使用多塊驅動芯片才能獲得預期效果，這樣就使得材料成本比較高。如果采用驅動芯片自身采用掃描方式，那么一塊主流的驅動芯片就能一次驅動多路LED器件，將會使應用成本降低許多。
5 小結
從這幾家LED驅動芯片制造商的產品結構來看，目前主流芯片主要分為3個檔次。第*檔次是具有灰度機制的芯片，這類芯片內部具有PWM功能，可以根據輸入的數據產生灰度，更易形成深層次灰度，顯示高品質畫面。第二檔次是具有輸出開路檢測(LOD)、溫度過熱保護(TSD)、亮度調節功能的芯片，這些芯片由于有了附加功能而更適用于特定場合，如用于可變情報板，則要求芯片具有偵測LED錯誤的功能。第三檔為不帶任何附加功能的恒流源芯片，此類芯片只為 LED提供恒流源，保證屏體顯示
1 引言
LED顯示屏作為一項高科技產品引起了人們的高度重視，采用計算機控制，將光、電融為一體的大屏幕智能顯示屏已經應用到很多領域。LED顯示屏的像素點采用LED發光二極管，將許多發光二極管以點陣方式排列起來，構成LED陣列，進而構成LED屏幕。通過不同的LED驅動方式，可得到不同效果的圖像。因此驅動芯片的優劣，對LED顯示屏的顯示質量起著重要的作用。
LED驅動芯片可分為通用芯片和專用芯片。通用芯片一般用于LED顯示屏的低端產品，如戶內的單、雙色屏等。最常用的通用芯片是74HC595，具有8位鎖存、串一并移位寄存器和三態輸出功能。每路最大可輸出35 mA的電流(不是恒流)。一般IC廠家都可生產此類芯片。
由于LED是電流特性器件，即在飽和導通的前提下，其亮度隨著電流大小的變化而變化，不是隨著其兩端電壓的變化而變化。因此，專用芯片的一個最大特點是提供恒流源。恒流源可保證LED的穩定驅動，消除LED的閃爍現象。下面將重點介紹LED顯示屏的專用驅動芯片。
2 專用芯片的主要參數和發展現狀
專用芯片具有輸出電流大、恒流等基本特點，比較適用于要求大電流、畫質高的場合，如戶外全彩屏、室內全彩屏等。專用芯片的關鍵性能參數有最大輸出電流、恒流源輸出路數、電流輸出誤差(bit to bit，chip to chip)和數據移位時鐘等。
1) 最大輸出電流
目前主流的恒流源芯片最大輸出電流多定義為單路最大輸出電流，一般90 mA左右。電流恒定是專用芯片的基本特性，也是得到高畫質的基礎。而每個通道同時輸出恒定電流的最大值(即最大恒定輸出電流)對顯示屏更有意義，因為在白平衡狀態下，要求每一路都同時輸出恒流電流。一般最大恒流輸出電流小于允許的最大輸出電流。
2) 恒流輸出通道
恒流源輸出路數有8位(8路恒源)和16位(16路恒源)兩種規格，現在16位源占主流，其主要優勢在于減少了芯片尺寸，便于LED驅動板(PCB)布線，特別是對于點間距較小的LED驅動板更有利。
3) 電流輸出誤差
電流輸出誤差分為兩種，一種是位間電流誤差，即同一個芯片每路輸出之間的誤差；另一種是片間電流誤差，即不同芯片之間輸出電流的誤差。電流輸出誤差是個很關鍵的參數，對顯示屏的均勻性影響很大。誤差越大，顯示屏的均勻性越差，很難使屏體達到白平衡。目前主流恒流源芯片的位間電流誤差(bit to bit)一般在+60%以內，(chip to chip)片間電流誤差在±15％以內。
4) 數據移位時鐘
數據移位時鐘決定了顯示數據的傳輸速度，是影響顯示屏的更新速率的關鍵指標。作為大尺寸顯示器件，顯示刷新率應該在85 Hz以上，才能保證穩定的畫面(無掃描閃爍感)。較高的數據移位時鐘是顯示屏獲取高刷新率畫面的基礎。目前主流恒流源驅動芯片移位時鐘頻率一般都在15 MHz以上。
在LED上游外延片、芯片生產上，美國、日本、歐盟仍擁有很大的技術優勢，而中國臺灣地區則已成為全球重要的LED生產基地。雖然中國在LED外延片、芯片的生產技術上距離國際先進水平還有較大差距，國內芯片、外延片的生產還集中在中低端產品，但是國內龐大的應用需求，給LED下游廠商帶來巨大的發展機會。雖然各種芯片的解決方案都是用于驅動LED顯示屏，但由于各種芯片所具備的功能不同，故驅動方案的特性也各有不同。下面介紹目前在我國占主流地位的16位恒流LED顯示屏驅動芯片，并從應用的角度對它們進行分析比較。
3 幾種驅動解決方案介紹和比較
3.1 TLC5941驅動芯片
TLC5941芯片是TI(德州儀器)公司*新推出的，具有點校正、高灰度等級(PWM控制)等特點。 TLC5941所有內部數據寄存器，灰度寄存器，點校正寄存器和錯誤狀態信息都通過串行接口存取，最大串行時鐘頻率30 MHz，片間電流誤差一般在±6％以內，位間電流誤差一般在±4％以內，每通道最大輸出電流80 mA。
TLC5941的每個通道可用PWM方式根據內部灰度寄存器的值進行4 096級灰度控制，該寄存器是12位的，每個通道LED的驅動電路由6位點校正寄存器的值進行64級控制，且驅動電流的最大值可通過片外電阻設定。64級電流控制提供了LED點灰度校正的能力，4 096級灰度調整則保證了即使在較低的灰度等級下，點陣中的每個點也有多達256級的灰度表示，從而紅綠藍全彩屏可有16M色的色彩表達能力，這兩點對于高質量的彩色大屏幕顯示是格外重要的。相對于傳統的彩色大屏幕顯示系統，集中產生PWM進行灰度控制，可編程邏輯芯片(或高速CPU)只需要處理緩存管理、灰度和點校正數據的輸出，設計復雜度降低，且由于PWM的灰度控制與數據串行移出無關，可很方便地獲得較高幀頻，取得很好的動態顯示效果。
為了保障彩色大屏幕的可靠運行，TLC5941提供了每一路LED開路(LOD)和過溫檢測(TSD) 的能力，內置集電極開路輸出電路，用于出錯時報警。16個通道中無論哪個通道有錯誤發生，內置集電極開路輸出電路的輸出管腳就會被拉到低電平，通過查詢芯片的內部狀態信息，就可知道哪一路出現故障，系統中所有TLC5941內置集電極開路輸出電路的輸出管腳可接到一起，通過上拉電阻接到高電平，通過監控這個信號，系統可在運行過程中進行自我診斷。TLC5941適用于工作環境比較惡劣同時對顯示效果要求很高以及對安全性能要求很高的場合，比如高速公路的 LED信息指示牌，大型的露天LED電視等。
3.2 MBI5028驅動芯片
MBI5028是臺灣MBI(聚積科技)公司推出的一款有可編程電流增益功能的LED屏驅動芯片。它內置串并移位寄存器和輸出鎖存器，且采用PrecisionDrive技術以得到更優良的電氣特性。MBl5028的最大串行時鐘頻率為25 MHz，片間電流誤差一般在±6％以內，位間電流誤差一般在±3％以內，最大輸出電流為90 mA。
MBI5028內建電流增益控制邏輯單元，可編程電流增益功能采用Share-IO技術，無須增加額外的管腳，只需在對應的管腳輸入一特定的序列信號，就可進入MBI5028的特殊功能模式--電流調整模式。在該模式下，可通過系統微控制器，向電流增益控制邏輯單元寫入不同電流增益的數據，鎖存這些數據，并通過內建數字與模擬共享的轉換器，有效控制電流的輸出。由于工作環境的變化和LED屏老化，LED屏亮度將會降低，如以一個固定順向電流，LED 屏的亮度偏差就會較小。通過可編程的電流增益功能和PrecisionDrive技術，可調整電流偏差，補償 LED屏的亮度，同時獲得比較高質量的圖像。利用PrecisionDrive技術并內建數字與模擬共享的轉換器，在相同精確度下，通過改變數字碼的方式，從而獲得相對的輸出電流，進而提高LED屏的成像質量。
目前的技術可以為LED顯示屏提供256個電流等級，使其達到1 200％的總動態范圍，提供256個輸出電流等級。在電氣特性和芯片封裝方面，MBI5026兼容性比較好，使用者不用更改以前為同類型芯片設計的PCB 板，就可獲得具有Share-IO技術的電流增益技術，能大大地降低升級成本。MBI5026適用于工作環境條件并不苛刻，但要求高質量成像的LED屏驅動方案上，比如室內的大型LED顯示屏等中低端屏幕。同時MBI5028還適用于老驅動芯片的升級。
3.3 ST2221C驅動芯片
ST2221C是中國臺灣SITI(點晶科技)公司推出的一款LED屏驅動芯片。它內置串并移位寄存器單元、輸出鎖存器單元和電流輸出控制單元，電氣特性較為優良。ST2221C的最大串行時鐘頻率為25 MHz，片間電流誤差一般在±10％以內，位間電流誤差一般在±6％以內，最大輸出電流為120 mA。ST2221C包含16通道恒流驅動單元，能同時驅動16路LED。它適用于一些低端屏的驅動，比如室內信息屏等低端LED顯示屏。
4 存在的問題
4.1 功耗及發熱問題
由于輸出電流較大，LED顯示屏芯片的功耗和發熱問題一直是阻擾驅動芯片發展的第*因素。在將來可能出現的手持式LED顯示屏的驅動方式上，這個問題將會變得尤為突出。隨著LED器件制造工藝水平的進步和驅動電流的減小，問題會逐步得到解決。
4.2 應用成本問題
一塊主流16位穩態電流LED顯示屏驅動芯片只能驅動16路的LED器件。一塊分辨力為1 024×768的LED顯示屏就必須使用多塊驅動芯片才能獲得預期效果，這樣就使得材料成本比較高。如果采用驅動芯片自身采用掃描方式，那么一塊主流的驅動芯片就能一次驅動多路LED器件，將會使應用成本降低許多。
5 小結
從這幾家LED驅動芯片制造商的產品結構來看，目前主流芯片主要分為3個檔次。第*檔次是具有灰度機制的芯片，這類芯片內部具有PWM功能，可以根據輸入的數據產生灰度，更易形成深層次灰度，顯示高品質畫面。第二檔次是具有輸出開路檢測(LOD)、溫度過熱保護(TSD)、亮度調節功能的芯片，這些芯片由于有了附加功能而更適用于特定場合，如用于可變情報板，則要求芯片具有偵測LED錯誤的功能。第三檔為不帶任何附加功能的恒流源芯片，此類芯片只為 LED提供恒流源，保證屏體顯示
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