LED全彩顯示屏發展歷程及優化電路分析

張曉芳，陳宇博

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

1 LED顯示屏發展歷史

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備中應用。LED的技術進步是擴大市場需求及應用的最大推動力。隨著大規模集成電路和計算機技術的不斷進步，LED顯示屏正在迅速崛起，它集微電子技術、計算機技術、信息處理于一體，以其色彩鮮艷、動態范圍廣、亮度高、壽命長、工作穩定可靠等優點，成為最具優勢的新一代顯示媒體。它的發展史可分為五個階段：

（1）形成階段。1990年以前，LED顯示屏主要體現在室內應用方面，以LED室內屏、儀器儀表顯示等領域為主。受LED材料器件的限制及通信控制技術的制約，LED顯示屏應用領域未廣泛展開，應用效果一般。對大屏幕顯示產品而言，LED顯示屏在國外應用較廣，國內則應用少，且以紅、綠雙基色為主?？刂品绞綖橥ㄐ趴刂?，單點4級灰度調灰，產品成本高。

（2）普及階段。1990～1995年，LED顯示屏應用迅速發展。信息產業高速增長，信息技術不斷突破，LED材料和控制技術不斷涌現新成果。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域的技術發展，全彩LED顯示屏控制技術領域出現視頻控制技術，其灰度等級實現16級灰度和64級灰度調灰，動態顯示效果成幾何倍數提升。LED顯示屏作為大屏幕顯示主流產品的局面基本形成，全彩LED顯示屏應用產業成為新興的高科技產業。

（3）提升階段。1996～2003年，LED顯示屏應用進入穩步提升、產業格局調整完善的時期。LED材料和技術的提升，使全彩LED顯示屏獲得重大進展。產業內部競爭加劇，價格回落，產品在質量、標準化等方面出現一系列新問題，引起了有關部門對LED顯示屏行業的重視，并對LED顯示屏行業進行適當規范和引導，相關的行業標準相繼出臺。LED顯示屏繼續引領大屏幕顯示產品，其綜合應用市場初顯端倪，應用領域逐步深化，LED戶外屏和LED室內屏成為主流產品。

（4）創新階段。2004～2007年，是LED顯示屏應用創新階段。LED產品技術和應用領域縱橫發展，形成多元市場，產業構成變化顯著。LED基礎材料和相關技術迅猛發展，推動LED顯示屏應用的創新提高。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逐步形成標準化產品。針對不同應用需求進行技術開發，形成一系列新型LED顯示屏應用產品，產業的聚積效應比較明顯。

（5）規?；?、行業洗牌階段。2008年至今，LED顯示屏應用趨于成熟并迅速向規?；l展。在一系列大型體育賽事和展會上，LED產品得到廣泛應用，推動了應用市場和產業的規模化發展。國產LED材料和器件的成功應用，促使產品逐步以國產LED器件為主。前期大批從業者的涌入，導致行業產能過剩，資本市場的高調介入，迫使大批企業進行整合、并購、收購，不斷加劇LED顯示屏行業洗牌的趨勢。洗牌后，LED顯示屏產業必將健康穩步地向集約化、專業化方向發展。

2 設計方案的選擇與論證

LED就是Light Emitting Diode，發光二極管的英文縮寫，簡稱LED。它是一種通過控制半導體發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優勢。

為了更好地體現高端LED全彩顯示模組的技術特點，以P1.5室內高清LED全彩模組為例，模組技術參數如表1所示。

表1 P1.5全彩模組技術參數表

從P1.5全彩模組技術參數表可知，其技術指標當屬于高端LED全彩顯示模組。結合設計要求，選擇將此技術參數作為本次設計的基本目標。

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參數的了解，結合實際確定本次設計的目標。為了實現LED全彩顯示模組的各項技術指標，其硬件原理設計的方式亦可多種。如何選擇最合適的原理進行設計，則必須經過設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，無論采用何種設計方案，其電路原理設計均相似。因此，將著重對譯碼電路的設計方案進行比較。

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）。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據輸入。通過級聯兩個74HC595D芯片，并把上級數據的輸出級聯到下級數據的輸入，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的設計進行分析比較，它們既有相同部分，又有區別之處。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；方案一采用級聯方式，上級容易對下級產生影響；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計，未進行芯片保護，設計較片面；方案二則綜合考慮實際情況，對芯片采取保護措施，設計更周密。

通過對兩種方案進行比較，決定采納方案二的設計方法進行譯碼電路設計。

3 原理設計優化電路

（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據信號(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，會在行驅動電路中積聚大量電荷，在轉入至下行掃描時，上行積聚電荷通過燈珠釋放，此時會出現前后拖影現象（俗稱毛毛蟲現象）。為了消除拖影，必須在行驅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計方案為：下拉電阻+穩壓二極管。每行驅動電路輸出端均接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 結語

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