綜藝節目舞美用LED顯示屏技術概論

成斌

（江蘇省廣播電視總臺，江蘇 南京 210008）

綜藝節目舞美用LED顯示屏技術概論

成斌

（江蘇省廣播電視總臺，江蘇 南京 210008）

針對電視綜藝節目舞美效果呈現的多樣化、差異化，綜合江蘇衛視在綜藝類電視節目中使用LED顯示屏幕作為舞美構成元素的相關應用經驗，闡述了當前通用綜藝節目舞美用LED顯示屏技術的構成、相關要點，以及綜藝節目舞美用LED顯示屏（業內俗稱租賃屏）與傳統的固定安裝LED顯示屏（業內俗稱工程屏）結構及系統構成的差異特點。

LED顯示屏；顯示箱體；舞美

1 舞美用LED顯示屏的特點

為了滿足各不相同的舞美設計要求，綜藝節目舞美用LED顯示屏（業內俗稱租賃屏）與傳統的固定安裝LED顯示屏（業內俗稱工程屏）在結構及系統構成上有很大的差異：

1）由多個顯示箱體拼接成滿足舞美設計要求的顯示區域，目前常見的箱體顯示面積為480 mm×480 mm，500mm×500mm及1 000mm×500mm等。

2）為便于安裝拆卸，顯示箱體需要輕便小巧；而伴隨顯示像素點距的不斷減小，為保證顯示質量和拼接精度，要求顯示箱體有足夠高的強度。因此，市場上有用鎂鈦合金或碳纖維材料制成的顯示箱體結構。

3）為提高箱體之間的拼接精度及拆裝效率，箱體之間一般均帶有快速鎖扣裝置，甚至諸多廠家在箱體之間還專門提供了定位機關。

4）為保護在頻繁拆裝過程中可能遭遇碰撞而損壞的LED發光單元，生產廠家通常會在LED發光單元前面安裝一層稱為面罩的保護部件。

5）為應對電視直播等高可靠性要求的場合，內容源信號及控制信號傳輸系統至少應具備雙冗余備份；同樣為了高可靠性的需求，部分廠家還設計了前維護結構或快速替換結構。

2 發光單元（LED燈）

LED顯示屏是由LED矩陣構成的顯示屏。由于表貼燈的色彩一致性好、視角大、混色效果也非常好，目前舞美用LED顯示屏幾乎100%采用了表貼三合一工藝。因此本文僅描述表貼燈的相關特性，它主要由芯片、支架、引線、殼體和填充膠構成。

市場上常用的芯片尺寸有6 mil（1 mil=0.001 in= 0.002 54 cm），7 mil，8 mil，9 mil，10 mil，12 mil，14 mil等，相同廠家的晶圓分割成不同尺寸的芯片后，在發光亮度要求一定的情況下其尺寸越小，單位芯片面積要求的驅動電流越大；反之芯片尺寸越大，則單位芯片面積需要驅動電流越小。但因為芯片體積大小的變化，導致其熱阻也發生變化，所以在同等發光亮度前提下芯片大小與所需驅動電流之間的關系是非線性的；為保證表貼燈的高亮度、高一致性、高穩定性，芯片選材將是十分重要的工作，例如目前較優的國產芯片組合之一為臺灣晶元的紅光LED+杭州仕蘭的藍、綠光LED。

支架結構一般分為PCB結構和鐵支架、銅支架、銅合金支架等，支架的表層有鍍錫和鍍銀兩種工藝，目前市面流行的是鐵支架和銅支架，外表鍍錫或鍍銀。不同支架的耐候性是不一樣的，業內高端產品使用銅支架較多一些。支架應盡可能采用進口紅銅材質及進口PPA材料，從而保證產品的散熱性及穩定性。

同樣，引線也有鐵、銅、合金、金線等多種選擇，國產賀利氏99.99%金線是比較適合的產品之一。

交流側常見的故障有電源或變壓器側的單相、相間以及三相短路故障引起的過流、過壓、欠壓以及不平衡等。換流器故障主要包括橋臂、電抗器、電容以及其他元器件的各類短路故障。直流側可分為線路/母線的單極、極間短路故障，斷線故障以及交直流碰線故障等。

顯示屏用表貼燈中使用的大部分填充膠采用進口日本產品，每個芯片封裝公司都會根據產品的特性去調節獨有配方比例，從而使表貼燈具有較好的耐熱、低光衰及應力適配性。表貼燈結構如圖1所示。

圖1 表貼燈結構示意圖

為了提高顯示屏的對比度并降低對舞臺燈光的反射，表貼燈在封裝時還引入了黑體燈的理念：器件采用全黑體封裝設計，從而更好地提高顯示屏對比度；器件膠體表面采用霧面設計從而有效降低反光干擾，使屏體畫面顯示更加柔和鮮艷。但采用黑體燈將大幅度降低同等驅動電流下的發光亮度，從而使得同等亮度需求條件下的LED顯示屏制造成本上升。表貼燈實物如圖2所示。

圖2 表貼燈實物（照片）

為了提高顯示屏的水平視角及矯正顯示屏水平左右視差問題，表貼燈的封裝廠商還采用了“一”字形芯片排列工藝以替代早期的“品”字形排列，如圖3和圖4所示。

圖3 品字型結構示意圖與發光示意圖

圖4 一字型結構示意圖與發光示意圖

需要留意，同一個顯示屏使用的表貼燈必須使用同一批次經過分光分色挑選過的燈，這是因為即使用同一塊晶圓上分割出來的、同樣大小的芯片，在同等驅動電流情況下其發出的可見光的波長也是有較大差異的（晶圓中雜質分布不勻引起），一般要求同一塊顯示屏中使用的表貼燈各色波長必須在連續的±5 nm以內。也是因為同樣的原因，不同批次的顯示屏原則上是不能混合拼接使用的。

3 模組

LED顯示屏模組的概念是批量生產的產物，實際上它已經是一個LED矩陣單元，若干個模組即構成了顯示箱體的顯示面。它由底殼（結構體）、PCB板、面罩構成，其中PCB板上均布了LED表貼燈、驅動IC、譯碼IC、信號及電源相關接插件等電子元器件。模組結構示意如圖5所示。

圖5 模組結構示意圖

模組的底殼從表面看只是一個PCB板的承載結構體，實際上它自身的精度、強度以及散熱性能對顯示屏體來說是至關重要的。盡管大部分模組的底殼是由工程塑膠制成，但也有少部分高端產品直接由鋁合金材質構成。較小的模組物理尺寸將有利于模組底殼本身的加工精度及強度，但同時也會帶來生產效率的降低。

為使得產品能夠達到電磁兼容的標準，PCB布線、板載元器件的封裝等均需要精準設計與選型。PCB系統設計中，使用濾波器，控制傳導干擾；提供合理的去耦電容，使板載驅動IC可靠工作，并降低電源中的高頻噪聲，從而減少EMI。由于導線電感及其他寄生參數的影響，電源及其供電導線響應速度慢，從而會使高速電路中驅動IC所需要的瞬時電流不足。合理地設計旁路或去耦電容以及電源層的分布電容，能在電源響應之前，利用電容的儲能作用迅速為器件提供電流。正確的電容去耦是降低共模EMI的關鍵；接地設計是減少整板EMI的關鍵。采用單點接地、多點接地或者混合接地方式。數字地、模擬地、噪聲地分開，采用多層板設計，應確保有地平面層，減小共地阻抗。

廉價的驅動IC僅僅為驅動LED提供了恒流的功能（通過限流電阻，出廠后幾乎不可再調整），而對LED發光亮度的控制則來自于接收卡的關斷控制信號（OE+ DATA=PWM），其最高刷新頻率將受制于PCB板可用最高時鐘頻率的限制。而帶PWM自適應脈寬調制功能的驅動IC，除了能夠提供恒流驅動的功能以外，其靜態電流還可以通過內置的寄存器進行微調（即電流增益調整）。更加不同的是，它調整LED發光亮度的PWM信號由其自身在芯片內部產生，即只要向其提供亮度數據就可以在較高的刷新率下實現對LED發光亮度的控制。帶PWM自適應脈寬調制功能的IC即使在電路時鐘頻率較低的情況下，仍能完美地實現高品質的顯示效果（例如，時鐘頻率僅為6 MHz，常規IC在同樣刷新率要求下時鐘頻率卻需要至少18 MHz）。而PCB時鐘頻率的降低對EMI有著重要的積極意義。

對于恒流驅動IC，它的片間輸出電流誤差以及針腳間輸出電流誤差是非常重要的考量指標。大部分單顆恒流驅動IC一般均集成了對8～24顆LED燈的驅動能力，綜合考慮顯示屏亮度、PCB板元器件承載密度、刷新頻率需求、電源功耗乃至制造成本等因素以后，這些恒流驅動IC往往與譯碼電路共同工作于掃描狀態下。

4 面罩

面罩對LED發光管及PCB線路板都可以起到保護作用，使產品在拆裝、搬運過程中避免磕碰導致LED燈及PCB板的損壞；同時它還可消除模塊化視覺現象（通過設置表面紋理結構），保證顯示單元拼裝無明顯的亮暗線；也可以起到戶外防紫外線的作用（通過上方凸起的帽檐）。

由于面罩位于LED表貼燈的前面，所以它的結構對整個顯示屏的可視角度將起著重要的作用。同樣的原因，它是整個顯示屏的臉面，它的顏色一致性也至關重要，所以許多廠家均對其施加“噴油”工藝以增加屏體的外觀一致性，同時油墨的顏色也對顯示屏的對比度提升有所幫助。

面罩雖小但制造不易，其材質的軟硬程度需要適中，平整度要求很高，尤其是其制造公差由于脫模后縮水及環境溫度的影響而變得非常難以控制。P5.2面罩實物如圖6所示。

圖6 P5.2面罩實物（照片）

5 HUB

HUB是連接LED模組和接收卡之間的信號再分配板，簡單的方式是用PCB板加排線連接到LED顯示模組。因為拆裝頻率很高，這種連接方式經常容易出現連接不良的現象，但隨著舞美屏幕的發展，屏幕信號的穩定性要求越來越高，所以現在對一些高端產品采用PCB板加高速連接器，采用螺絲緊固方式，避免拆裝及運輸過程中的振動引發HUB板松動而導致顯示屏信號不穩定。某型號HUB板正反面如圖7所示。

圖7 某型號HUB板實物（照片）

HUB是控制系統與顯示模組間的橋梁，盡管LED控制系統提供商一般也提供HUB產品，但大部分規模顯示屏生產商均自行設計HUB板。HUB在設計中，也需要充分考慮EMI的設計及穩定性。采用穩定性高的接插件焊接工藝，無線材連接，所有的信號及供電均通過PCB來傳輸，使產品更簡潔、工藝更美觀，同時避免了采用線材連接產生的傳導輻射。在信號連接中還采用了備份冗余，更是增強了產品的穩定性。如圖8所示，每個信號都實現了非對稱的信號冗余。

圖8 HUB板信號冗余示意圖

6 接收卡

接收卡在顯示屏中是承前啟后的一個單元，通過信號傳輸線（常見為千兆網絡線）接收發送卡傳遞來的控制信號及整屏圖像信號，依靠自己的XY坐標設置信息選擇出自己要顯示的信號后，再將控制信號及整屏圖像信號傳輸給后面的顯示箱體；同時將本身篩選出的數據信號經過一定程序的設定，按順序、分端口地將顯示數據信號及顯示控制信號輸出到HUB板上。

除上述主要功能外，現在的接收卡還必須具備以下功能：高灰度高刷新和低亮度高刷新；冗余備份，數據回傳；逐點亮色度校正及逐點亮度矯正信息保存；智能ID設置；異形燈板，異形箱體，異形屏設置；可任意位置抽點；箱體狀態監控、溫度監控、信號線線通信狀態檢測；供電電壓檢測；LED燈開路檢測等功能。

在LED行業中，接收卡隸屬于控制系統范疇，它一般由LED顯示屏幕系統制造商提供。

江蘇衛視使用過的接收卡產品實物如圖9所示。

圖9 江蘇衛視使用過的接收卡產品實物（照片）

7 顯示箱體

通過對上述各部件與箱體進行組裝，實現了顯示箱體。

江蘇衛視PH5.2彩幕（長500 mm×高500 mm×厚75 mm鋁型材箱）的相關設計圖如圖10所示。

圖10 江蘇衛視PH5.2彩幕的相關設計圖

8 江蘇衛視綜藝節目中的屏幕舞美應用

在充分理解LED顯示屏技術的基礎上，用顯示箱體來拼接出符合舞美設計需求的顯示區域依舊是一項充滿創意的挑戰。

下面給出幾張實際現場應用的圖片來加以說明，如圖11所示。

圖11 實際現場應用效果

[1] 謝勇.LED封裝工藝常見異常淺析[J].現代顯示，2009（11）：15-17.

[2]徐鵬，王偉強，劉玉萍.劇場布景的變遷——LED顯示屏技術應用[J].藝術科技，2010（3）：34-38.

[3]鐘冬梅.LED技術發展概述[J].數字通信，2011（3）：41-44.

[4] 湯坤，卓寧澤，施豐華，等.LED封裝的研究現狀及發展趨勢[J].照明工程學報，2014（1）：26-30.

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2014-06-05

【本文獻信息】成斌.綜藝節目舞美用LED顯示屏技術概論[J].電視技術，2014，38（16）.