一種小點(diǎn)間距LED顯示屏畫(huà)面偏色的補(bǔ)償方法

馮 奕，邢向明，周 楊

（中科芯集成電路有限公司，江蘇無(wú)錫 214072）

1 引言

近年來(lái)，隨著LED顯示屏技術(shù)的不斷發(fā)展，市場(chǎng)需求量不斷增大，LED 大屏幕已經(jīng)在商場(chǎng)、火車站等公共場(chǎng)所隨處可見(jiàn)，用于顯示圖片、文字、視頻等信息[1]。

LED顯示屏是由發(fā)光二極管和顯示驅(qū)動(dòng)芯片組成的大尺寸平板顯示器件。顯示驅(qū)動(dòng)芯片用于接收來(lái)自系統(tǒng)的數(shù)字圖像信息，驅(qū)動(dòng)顯示屏上的二極管點(diǎn)亮，實(shí)現(xiàn)圖像或視頻等的顯示，故而顯示驅(qū)動(dòng)芯片對(duì)顯示屏的顯示效果有著決定性的作用。分辨率上，對(duì)于一般的LED顯示屏來(lái)說(shuō)，由紅綠藍(lán)三個(gè)LED 組合成一個(gè)像素，兩個(gè)像素之間的距離即LED顯示屏在單位面積下的分辨率。目前，對(duì)于間距小于2.5 mm 的LED顯示屏，業(yè)內(nèi)普遍稱之為小間距LED顯示屏。對(duì)于此類小間距顯示屏，由于像素?cái)?shù)量很多，而驅(qū)動(dòng)電路板面積有限，所以必須采用一顆芯片驅(qū)動(dòng)多行的設(shè)計(jì)，稱之為多行掃LED 驅(qū)動(dòng)。

多行掃的設(shè)計(jì)減少了所需驅(qū)動(dòng)芯片的數(shù)量，節(jié)約了成本，但該設(shè)計(jì)也會(huì)帶來(lái)許多問(wèn)題。首先帶來(lái)的便是刷新率下降的問(wèn)題[2]。刷新率是一塊顯示屏上所有像素點(diǎn)被點(diǎn)亮一次所需時(shí)間的倒數(shù)，而多行掃意味著每一行的LED 都要依次顯示，行數(shù)越多，刷新率就越低。因此，多行掃設(shè)計(jì)要做到高刷新率就必須提高工作頻率[3]。除了刷新率的問(wèn)題之外，多行掃的小間距顯示屏還有許多顯示效果上的問(wèn)題，其中就包括了白平衡偏色和首行偏暗。如今，市場(chǎng)對(duì)小間距LED顯示屏的顯示效果要求越來(lái)越高，該問(wèn)題對(duì)最終顯示效果至關(guān)重要。

本文針對(duì)白平衡偏色和首行偏暗兩大問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一種可以同時(shí)解決以上兩種問(wèn)題的電路。該電路采用多級(jí)可調(diào)的補(bǔ)償辦法，補(bǔ)償電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、面積小、精度高、適用性廣泛。

2 問(wèn)題的成因

2.1 白平衡偏色

白平衡偏色即顯示低灰圖像時(shí)，紅綠藍(lán)三色中紅色二極管的導(dǎo)通電流相較于綠藍(lán)兩色二極管偏大，所以整體圖像會(huì)偏紅導(dǎo)致白平衡偏色。所謂低灰圖像就是LED 導(dǎo)通時(shí)間遠(yuǎn)小于關(guān)斷時(shí)間情況下的圖像，表現(xiàn)為淺綠、淺藍(lán)、淺紅等。

在低灰圖像中，尤其是在高行掃高刷新率的情況下，LED 導(dǎo)通時(shí)間非常短，往往只有幾百納秒甚至幾十納秒。在這種導(dǎo)通時(shí)間下，不同顏色LED 上的寄生電容大小對(duì)導(dǎo)通時(shí)間的影響就變得極其顯著[4]。更糟糕的是，由于工藝的波動(dòng)，相同批次相同顏色的LED，其寄生電容本身也會(huì)有較大的波動(dòng)。

低灰圖像中需要對(duì)藍(lán)色和綠色進(jìn)行補(bǔ)償。補(bǔ)償方式是對(duì)綠藍(lán)兩種顏色的二極管在低灰圖像下的導(dǎo)通時(shí)間都給以一定程度的加長(zhǎng)，減小色偏的程度。由于綠藍(lán)兩色在低灰圖像下有不同程度的色偏，所以需要的補(bǔ)償程度不同，其中綠色補(bǔ)償程度稍大，藍(lán)色補(bǔ)償程度稍小，紅綠藍(lán)三種二極管在方波驅(qū)動(dòng)信號(hào)下的導(dǎo)通電流差異如圖1 所示，可以看出紅色二極管的導(dǎo)通電流與驅(qū)動(dòng)信號(hào)相比于綠藍(lán)兩色二極管延遲最小，其次為藍(lán)色，綠色差異最大。

圖1 紅綠藍(lán)二極管導(dǎo)通電流對(duì)比

2.2 首行偏暗

首行偏暗即多行掃第一行的LED 在顯示效果上會(huì)比其余行偏暗。二極管所在PCB 板上的布線之間會(huì)產(chǎn)生寄生電容，由于如今LED顯示面板在往小點(diǎn)間距的道路上不斷發(fā)展，PCB 走線間的距離越來(lái)越小，導(dǎo)致了板級(jí)寄生電容越來(lái)越大，同時(shí)LED 本身也有一定的寄生電容，所以寄生效應(yīng)會(huì)非常明顯[5]。寄生電容所在位置如圖2 所示。

圖2 寄生電容所在位置

當(dāng)?shù)谝淮嗡行袙呓Y(jié)束后，由于每一行二極管導(dǎo)通時(shí)都會(huì)對(duì)列上的寄生電容充電，所以當(dāng)?shù)诙涡袙唛_(kāi)始時(shí)，第一行二極管上的壓降Vrow－Vcolumn會(huì)比正常值低，第一行顯示結(jié)束后，列寄生電容上的電荷釋放，第二行之后的二極管上壓降Vrow－Vcolumn恢復(fù)到正常值，所以第一行相對(duì)于其他行顯示效果就會(huì)偏暗，首行偏暗現(xiàn)象如圖3 所示。

圖3 首行偏暗現(xiàn)象

為了改善首行偏暗的問(wèn)題，本文提出了兩種解決辦法。第一種是在第一行點(diǎn)亮前將列寄生電容上的電荷釋放，使列電壓Vcolumn降低，這樣第一行上的二極管壓降Vrow－Vcolumn就不會(huì)偏低，導(dǎo)通電流也恢復(fù)正常。第二種辦法是對(duì)第一行的二極管導(dǎo)通時(shí)間進(jìn)行補(bǔ)償，增加第一行二極管的導(dǎo)通時(shí)間，這樣也可以提高圖像的亮度，視覺(jué)上首行也不會(huì)偏暗[6]?？紤]到第一種辦法需要增加額外的泄放電路，增加了電路的復(fù)雜度，擴(kuò)大了版圖的面積，而第二種辦法可以與低灰補(bǔ)償結(jié)合在同一個(gè)電路上，通過(guò)不同的控制信號(hào)加以區(qū)分，無(wú)需額外設(shè)計(jì)電路，所以綜上選擇第二種辦法[7]。

3 電路結(jié)構(gòu)

根據(jù)第2 節(jié)的分析，對(duì)白平衡偏色和首行偏暗的補(bǔ)償電路可以由同一個(gè)電路來(lái)實(shí)現(xiàn)，要求該電路可以將兩種不同的補(bǔ)償區(qū)分開(kāi)來(lái)，具有補(bǔ)償?shù)燃?jí)可調(diào)的功能，補(bǔ)償可調(diào)電路由一個(gè)MOS 管陣列提供。為滿足以上需求，所設(shè)計(jì)的電路由補(bǔ)償電路和提供補(bǔ)償所需參考電壓的MOS 開(kāi)關(guān)選通陣列組成[8]，補(bǔ)償電路如圖4所示，MOS 開(kāi)關(guān)選通陣列如圖5 所示。

圖4 補(bǔ)償電路

圖5 MOS 開(kāi)關(guān)選通陣列

在補(bǔ)償電路中，PWM 為待補(bǔ)償?shù)腖ED 驅(qū)動(dòng)信號(hào)，EN1定義為白平衡的使能信號(hào)，用于調(diào)節(jié)所有非首行的白平衡，EN2定義為首行偏暗的使能信號(hào)，控制所有情況下的首行偏暗調(diào)節(jié)，包括低灰條件下的首行。VREF1和VREF2分別代表EN1和EN2兩種補(bǔ)償?shù)膮⒖茧妷骸?/p>

提供EN1和EN2補(bǔ)償?shù)燃?jí)的電壓信號(hào)由一個(gè)電阻和MOS 管組成陣列產(chǎn)生，每一個(gè)電阻阻值都相同，總計(jì)32 個(gè)電阻提供了32 種參考電平，VREF2可輸出最低值到中間值的16 種電平之一，由Reg1<3:0>控制，當(dāng)Reg1=0000 時(shí)，輸出中間電壓，當(dāng)Reg1=1111 時(shí)，輸出最低電壓。VREF2可輸出最低值到最高值的32 種電平之一，由Reg1<8:4>控制，當(dāng)Reg1=00000 時(shí)，輸出最高電壓，當(dāng)Reg1=11111 時(shí)，輸出最低電壓。控制算法如下：

首行偏暗由VREF2進(jìn)行調(diào)節(jié)，但在低灰條件下還需加入VREF1的調(diào)節(jié)，因此將兩者原來(lái)的各4 位調(diào)節(jié)求和合并為一個(gè)5 位調(diào)節(jié)FST<4:0>，F(xiàn)ST<4:0>即計(jì)算后賦給控制信號(hào)Reg1<8:4>的值。由式（1）計(jì)算VREF2最終選擇最低電壓到中間電壓范圍內(nèi)的值，由式（2）計(jì)算VREF2最終選擇最低電壓到最高電壓范圍內(nèi)的值。

首行偏暗調(diào)節(jié)分為以下兩種情況：

1）當(dāng)僅在非低灰情況下調(diào)節(jié)首行時(shí)

2）當(dāng)在低灰條件下調(diào)節(jié)首行時(shí)

低灰情況下的非首行打開(kāi)，仍然用VREF1的Reg1<3:0>進(jìn)行調(diào)節(jié)。非低灰情況下的非首行不存在畫(huà)面偏色問(wèn)題，無(wú)需對(duì)PWM 進(jìn)行補(bǔ)償。

圖4 中邏輯門I1的真值如表1 所示。

表1 邏輯門I1 真值表

I2的電路結(jié)構(gòu)如圖6 所示，該電路為一個(gè)基本的電流鏡結(jié)構(gòu)。BIAS 可以由不同偏置電路給出，本文不多做介紹。當(dāng)EN 信號(hào)為低時(shí)，電路不工作，無(wú)輸出電流。當(dāng)EN 信號(hào)為高時(shí)，由PD 信號(hào)控制是否輸出電流，PD 為高則不輸出電流，PD 為低則對(duì)外輸出電流。

圖6 I2 電路結(jié)構(gòu)

放大器采用基本的兩級(jí)放大結(jié)構(gòu)。由于此處放大器起到比較作用，兩級(jí)放大可以提供足夠的增益；同時(shí)，考慮到PWM 信號(hào)頻率較低，對(duì)放大器的穩(wěn)定性要求不高，所以該放大器沒(méi)有加上補(bǔ)償電容。由于被補(bǔ)償?shù)氖荘WM 的低電平部分，所以需要在放大器的輸出端接反相器，反相器已經(jīng)整合在AMP 模塊當(dāng)中[10]。

整體電路的工作邏輯如下：當(dāng)EN1和EN2都為低時(shí)，EN 為低，Y2沒(méi)有輸出，PWM_OUT 跟隨PWM，也就是PWM 不做任何補(bǔ)償直接輸出。當(dāng)EN1和EN2其中有一個(gè)為高時(shí)，EN 端為高，且當(dāng)PWM 輸入為低時(shí)，則Y2輸出為低，MN1關(guān)閉，放大器的負(fù)端僅由C1和I2的輸出電流控制，使得放大器負(fù)端的電壓緩慢升高，直到與參考電壓相等時(shí)，放大器的輸出轉(zhuǎn)換為低。當(dāng)EN1和EN2其中有一個(gè)為高時(shí)，EN 端為高，且當(dāng)PWM 輸入為高時(shí)，I2由于Y2為高被關(guān)閉，同時(shí)，MN1被打開(kāi)，C1上的電荷通過(guò)MN1被泄放掉。參考電壓VREF1和VREF2分別由EN1和EN2控制輸入到放大器的正端。參考電壓越高，放大器的輸出轉(zhuǎn)換為低所需的時(shí)間越長(zhǎng)，PWM_OUT 信號(hào)的低電平時(shí)間越長(zhǎng)，換言之，提供了不同的補(bǔ)償時(shí)間。補(bǔ)償時(shí)間t 為：

其中RMP1和RMN1為兩個(gè)MOS 管的輸出電阻，電流源的輸出電阻較大可忽略。A 為放大器的增益，VREF為EN1和EN2選通的VREF1和VREF2。由于VREF1和VREF2為多檔可調(diào)，所以補(bǔ)償時(shí)間也相應(yīng)可調(diào)。

4 結(jié)果驗(yàn)證

4.1 白平衡補(bǔ)償結(jié)果

以下為使用ADE 的仿真結(jié)果和實(shí)物測(cè)試的顯示效果。在開(kāi)啟白平衡補(bǔ)償后，PWM 驅(qū)動(dòng)信號(hào)的低電平時(shí)間得到了加長(zhǎng)，這樣就使得二極管的導(dǎo)通時(shí)間加長(zhǎng)，導(dǎo)通電流的有效值增加，起到了對(duì)藍(lán)色和綠色二極管的補(bǔ)償效果。不同補(bǔ)償?shù)燃?jí)下驅(qū)動(dòng)信號(hào)的脈寬，也就是LED 被點(diǎn)亮的時(shí)間如表2 所示，可以看出脈寬在補(bǔ)償?shù)燃?jí)從0001 到1111 的遞進(jìn)較為均勻，在0001時(shí)脈寬為545 ns，每增加一檔，脈寬時(shí)間減小大約為5 ns，在1111 檔時(shí)脈寬為465 ns。可以根據(jù)實(shí)際補(bǔ)償效果來(lái)確定補(bǔ)償?shù)燃?jí)。圖7 為開(kāi)啟白平衡補(bǔ)償前后的效果對(duì)比圖，可以看出左邊顯示效果明顯偏紅，右側(cè)開(kāi)啟后顯示效果較好。補(bǔ)償前后的開(kāi)啟波形如圖8、9 所示，開(kāi)啟時(shí)間被補(bǔ)償了約88 ns，與理論值的最大補(bǔ)償時(shí)間基本一致。

圖7 白平衡補(bǔ)償關(guān)閉（左）和開(kāi)啟（右）

圖8 補(bǔ)償前的開(kāi)啟波形

表2 不同補(bǔ)償?shù)燃?jí)下驅(qū)動(dòng)信號(hào)的脈寬

圖9 補(bǔ)償后的開(kāi)啟波形

4.2 首行偏暗補(bǔ)償結(jié)果

實(shí)際的顯示效果如圖10 所示，可以看出開(kāi)啟首行偏暗補(bǔ)償后，LED顯示面板上已經(jīng)沒(méi)有首行比其他行更暗的顯示問(wèn)題了。

圖10 首行偏暗補(bǔ)償效果

5 總結(jié)

本文介紹了一種可以同時(shí)解決白平衡偏色和首行偏暗問(wèn)題的電路，并且該電路對(duì)這兩種問(wèn)題的補(bǔ)償效果是多等級(jí)可調(diào)的。仿真驗(yàn)證和實(shí)際顯示效果證明了該電路是切實(shí)有效的。同時(shí)，該電路結(jié)構(gòu)十分簡(jiǎn)潔，成本低，適合絕大部分的多行掃設(shè)計(jì)LED 驅(qū)動(dòng)。