LED全彩顯示屏發(fā)展歷程及優(yōu)化電路分析

張曉芳，陳宇博

（1.漳州理工職業(yè)學院；2.漳州蒙發(fā)利實業(yè)有限公司，福建 漳州 363000）

1 LED顯示屏發(fā)展歷史

LED作為第四代新光源，起初只是作為微型指示燈，在計算機、音響和錄像機等高檔設(shè)備中應(yīng)用。LED的技術(shù)進步是擴大市場需求及應(yīng)用的最大推動力。隨著大規(guī)模集成電路和計算機技術(shù)的不斷進步，LED顯示屏正在迅速崛起，它集微電子技術(shù)、計算機技術(shù)、信息處理于一體，以其色彩鮮艷、動態(tài)范圍廣、亮度高、壽命長、工作穩(wěn)定可靠等優(yōu)點，成為最具優(yōu)勢的新一代顯示媒體。它的發(fā)展史可分為五個階段：

（1）形成階段。1990年以前，LED顯示屏主要體現(xiàn)在室內(nèi)應(yīng)用方面，以LED室內(nèi)屏、儀器儀表顯示等領(lǐng)域為主。受LED材料器件的限制及通信控制技術(shù)的制約，LED顯示屏應(yīng)用領(lǐng)域未廣泛展開，應(yīng)用效果一般。對大屏幕顯示產(chǎn)品而言，LED顯示屏在國外應(yīng)用較廣，國內(nèi)則應(yīng)用少，且以紅、綠雙基色為主。控制方式為通信控制，單點4級灰度調(diào)灰，產(chǎn)品成本高。

（2）普及階段。1990～1995年，LED顯示屏應(yīng)用迅速發(fā)展。信息產(chǎn)業(yè)高速增長，信息技術(shù)不斷突破，LED材料和控制技術(shù)不斷涌現(xiàn)新成果。藍色LED晶片的研制成功，使LED全彩顯示屏進入市場。電子計算機及微電子領(lǐng)域的技術(shù)發(fā)展，全彩LED顯示屏控制技術(shù)領(lǐng)域出現(xiàn)視頻控制技術(shù)，其灰度等級實現(xiàn)16級灰度和64級灰度調(diào)灰，動態(tài)顯示效果成幾何倍數(shù)提升。LED顯示屏作為大屏幕顯示主流產(chǎn)品的局面基本形成，全彩LED顯示屏應(yīng)用產(chǎn)業(yè)成為新興的高科技產(chǎn)業(yè)。

（3）提升階段。1996～2003年，LED顯示屏應(yīng)用進入穩(wěn)步提升、產(chǎn)業(yè)格局調(diào)整完善的時期。LED材料和技術(shù)的提升，使全彩LED顯示屏獲得重大進展。產(chǎn)業(yè)內(nèi)部競爭加劇，價格回落，產(chǎn)品在質(zhì)量、標準化等方面出現(xiàn)一系列新問題，引起了有關(guān)部門對LED顯示屏行業(yè)的重視，并對LED顯示屏行業(yè)進行適當規(guī)范和引導(dǎo)，相關(guān)的行業(yè)標準相繼出臺。LED顯示屏繼續(xù)引領(lǐng)大屏幕顯示產(chǎn)品，其綜合應(yīng)用市場初顯端倪，應(yīng)用領(lǐng)域逐步深化，LED戶外屏和LED室內(nèi)屏成為主流產(chǎn)品。

（4）創(chuàng)新階段。2004～2007年，是LED顯示屏應(yīng)用創(chuàng)新階段。LED產(chǎn)品技術(shù)和應(yīng)用領(lǐng)域縱橫發(fā)展，形成多元市場，產(chǎn)業(yè)構(gòu)成變化顯著。LED基礎(chǔ)材料和相關(guān)技術(shù)迅猛發(fā)展，推動LED顯示屏應(yīng)用的創(chuàng)新提高。全彩LED顯示屏在高密度、高清晰度及整機可靠性、工藝水平等方面不斷改進和完善，LED顯示屏核心控制系統(tǒng)逐步形成標準化產(chǎn)品。針對不同應(yīng)用需求進行技術(shù)開發(fā)，形成一系列新型LED顯示屏應(yīng)用產(chǎn)品，產(chǎn)業(yè)的聚積效應(yīng)比較明顯。

（5）規(guī)模化、行業(yè)洗牌階段。2008年至今，LED顯示屏應(yīng)用趨于成熟并迅速向規(guī)模化發(fā)展。在一系列大型體育賽事和展會上，LED產(chǎn)品得到廣泛應(yīng)用，推動了應(yīng)用市場和產(chǎn)業(yè)的規(guī)模化發(fā)展。國產(chǎn)LED材料和器件的成功應(yīng)用，促使產(chǎn)品逐步以國產(chǎn)LED器件為主。前期大批從業(yè)者的涌入，導(dǎo)致行業(yè)產(chǎn)能過剩，資本市場的高調(diào)介入，迫使大批企業(yè)進行整合、并購、收購，不斷加劇LED顯示屏行業(yè)洗牌的趨勢。洗牌后，LED顯示屏產(chǎn)業(yè)必將健康穩(wěn)步地向集約化、專業(yè)化方向發(fā)展。

2 設(shè)計方案的選擇與論證

LED就是Light Emitting Diode，發(fā)光二極管的英文縮寫，簡稱LED。它是一種通過控制半導(dǎo)體發(fā)光二極管的顯示方式，用來顯示文字、圖形、圖像、動畫、行情、視頻、錄像信號等各種信息的顯示屏幕。

高端LED全彩顯示屏最大的優(yōu)點是顯示色彩的自然真實，以及顯示屏可通過顯示模組完全無縫拼接。高端LED全彩顯示屏模組具有像素間距小、像素密度高、可恒流驅(qū)動、掃描頻率高、額定電壓低、工作電流小、屏幕亮度高、單位功耗低等眾多技術(shù)優(yōu)勢。

為了更好地體現(xiàn)高端LED全彩顯示模組的技術(shù)特點，以P1.5室內(nèi)高清LED全彩模組為例，模組技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 P1.5全彩模組技術(shù)參數(shù)表

從P1.5全彩模組技術(shù)參數(shù)表可知，其技術(shù)指標當屬于高端LED全彩顯示模組。結(jié)合設(shè)計要求，選擇將此技術(shù)參數(shù)作為本次設(shè)計的基本目標。

2.1 方案的論證

通過對LED全彩顯示模組的功能電路和技術(shù)參數(shù)的了解，結(jié)合實際確定本次設(shè)計的目標。為了實現(xiàn)LED全彩顯示模組的各項技術(shù)指標，其硬件原理設(shè)計的方式亦可多種。如何選擇最合適的原理進行設(shè)計，則必須經(jīng)過設(shè)計方案的比較與篩選。

分析LED全彩模組的功能電路，其中譯碼電路最特殊，亦最具代表性。其余各功能電路，無論采用何種設(shè)計方案，其電路原理設(shè)計均相似。因此，將著重對譯碼電路的設(shè)計方案進行比較。

方案1：譯碼電路原理圖(A)如圖1所示。模組掃描方式為1/16掃，共需16根控制線(S1-S16)。譯碼電路所用芯片為74HC595D（SO16封裝），此芯片為8位串行輸入/串行或并行輸出鎖存移位寄存器（三態(tài)）。A、B為掃描信號，其中A信號直接接入至芯片SCK與STB引腳，用于控制芯片的時鐘與鎖存，B信號則作為芯片的串行數(shù)據(jù)輸入。通過級聯(lián)兩個74HC595D芯片，并把上級數(shù)據(jù)的輸出級聯(lián)到下級數(shù)據(jù)的輸入，由此即可組成1/16掃譯碼電路。

圖1 譯碼電路原理圖（A）

方案2：譯碼電路原理圖（B）如圖2所示。模組掃描方式亦為1/16掃，控制線同為16根（S0-S15）。譯碼電路所用芯片為74HC138BQ（DHVQFN16封裝），此芯片為3線-8線譯碼器。其中，Q為保護信號，接入至引腳，用于譯碼芯片保護。A、B、C、D為掃描信號，按照譯碼芯片的功能真值表進行電路連接。通過使用兩個3線-8線譯碼器，亦可組成1/16掃譯碼電路。

圖2 譯碼電路原理圖（B）

2.2 方案的選擇與確定

通過對方案1與方案2的設(shè)計進行分析比較，它們既有相同部分，又有區(qū)別之處。相同部分：掃描方式都為1/16掃，譯碼控制線輸出均為16根；譯碼過程均需使用掃描信號線。區(qū)別部分：方案一只需使用兩根掃描線；方案二則需使用四根掃描線；方案一采用級聯(lián)方式，上級容易對下級產(chǎn)生影響；方案二則相對獨立，兩芯片間互不干擾；方案一主要考慮理論設(shè)計，未進行芯片保護，設(shè)計較片面；方案二則綜合考慮實際情況，對芯片采取保護措施，設(shè)計更周密。

通過對兩種方案進行比較，決定采納方案二的設(shè)計方法進行譯碼電路設(shè)計。

3 原理設(shè)計優(yōu)化電路

（1）譯碼電路。譯碼電路采用譯碼芯片74HC138BQ，74HC138BQ芯片（DHVQFN16封裝）是一種三通道輸入、八通道輸出譯碼器，適用于數(shù)字電路中的3線-8線譯碼功能。芯片引腳及引腳描述如圖3所示。對應(yīng)功能表如圖4所示。

圖3 74HC138BQ芯片引腳及引腳描述

圖4 74HC138BQ功能表

（2）信號接口電路。信號接口電路包含信號輸入和信號輸出兩個部分。全彩LED模組通過自定義26針貼片插針進行信號的輸入與輸出。插針在LED模組中起信號承接作用，信號輸入既可由LED主控控制卡的板載擴展卡提供，也可由上一級全彩LED模組的輸出直接通過排線接入，信號輸出則通過排線接入下一級全彩LED模組的輸入。信號接口電路如圖5所示。JIN為信號輸入，JOUT為信號輸出，信號接口包含四組全彩數(shù)據(jù)信號(RD、GD、BD)，掃描信號(A、B、C、D)，控制信號(CLK、STB、OE)，及地信號(GND)。

圖5 信號接口電路

（3）暗亮消隱電路。LED全彩模組工作時，會在行驅(qū)動電路中積聚大量電荷，在轉(zhuǎn)入至下行掃描時，上行積聚電荷通過燈珠釋放，此時會出現(xiàn)前后拖影現(xiàn)象（俗稱毛毛蟲現(xiàn)象）。為了消除拖影，必須在行驅(qū)動電路輸出端增加暗亮消隱電路，如圖6所示。

圖6 暗亮消隱電路

圖中所采用的暗亮消隱設(shè)計方案為：下拉電阻+穩(wěn)壓二極管。每行驅(qū)動電路輸出端均接1.1K下拉電阻，八行并接再反向串接3.3V穩(wěn)壓管接地。暗亮消隱電路的作用是能夠把下拉后的行掃電壓鉗制在3.3V,同時快速地釋放積聚電荷，從而起到消除拖影的目的。

4 結(jié)語

本文闡述了LED顯示屏的發(fā)展歷程和電路原理的優(yōu)化分析，并通過對兩種方案進行綜合比較，選擇更優(yōu)方案并進行分析說明。同時，介紹了74系列譯碼芯片，并對芯片功能應(yīng)用進行分析與設(shè)計。本文對高端LED全彩顯示屏進行電路優(yōu)化設(shè)計，其結(jié)果符合設(shè)計要求，達到了預(yù)定的目標和效果。