双行双稳态LED显示单元的设计与研究

摘要：为弥补传统扫描驱动方式所引起的主现视觉亮度下降的缺陷，几乎所有高端室外LED显示屏均采用了静态锁存的驱动方法，但这又使驱动电路的规模大大增加。为了解决此问题，文章从“塔尔博特-普拉窦定律”着手，将光学双稳态特性引入LED显示单元，通过提高一个扫描周期内LED显示单元的占空比提高LED显示屏的亮度，研制出了一种双行双稳态LED显示屏。通过实际测试，证明该显示屏在扫描驱动方式下具有等同于静态锁存驱动的LED屏的亮度表现，并大大提高了LED的使用寿命，而且其结构简单，外围电路与传统器件完全兼客，易于使用和推广。
关键词：双稳态；发先二极管；亮度；行反相扫描

    现有LED显示屏出于简化驱动电路的考虑，几乎都采用了扫描驱动方式，在一个扫描周期当中，各LED所发出的变化的光亮度根据“塔尔博特-普拉窦定律”平均到整个扫描周期当中，导致显示屏的主观视觉亮度下降，使得LED显示屏在户外使用时出现发光亮度不足的问题。到目前为止，解决LED显示屏亮度不足的方法基本局限于以下3种：
    1)单纯地提高驱动脉冲电压，增加LED器件的瞬时发光亮度，但这将缩短发光器件的使用寿命，并且能量效率较低；
    2)不断研制和应用高亮度甚至超高亮度LED器件；
    3)通过缩短扫描周期或采用静态锁存方式驱动来提升显示屏亮度。尤其是在室外屏的制造中，高端产品均采用静态锁存驱动，在要求不高的场合则采用缩短扫描周期的方式。对于一个大规模的显示屏来说，无论缩短扫描周期还是采用静态锁存驱动，其后果都是驱动电路规模的显著增加。
    本文从“塔尔博特-普拉窦定律”入手，将光学双稳态特性引入LED显示单元电路，研制了一种双稳态LED单元组成的双稳态LED屏。经实际测试证明该显示屏在扫描驱动方式下具有等同于静态锁存驱动的LED屏的亮度表现，并且其结构简单，外围电路与传统器件完全兼容，易于使用和推广。

1 双行双稳态LED显示单元的设计
1．1 双行双稳态LED电路结构及工作原理
    双行双稳态LED单元电路如图1所示，它把触发这个功能由端口V1和V2来完成，而关断、保持这两个功能由端口Vcc来完成。下面具体说明双行驱动LED单元电路的工作原理。

    其中BG1和BG2构成一个等效晶闸管，它由关断到导通，有两个必要条件：Vcc端有正向电压，节点a的电压幅值足够大。因此，可在端点a提供一个触发电压，使等效晶闸管触发，触发脉冲过了之后，靠Vcc提供的电压进行保持。
    具体实现过程如下：
    1)开启扫描行的被选通单元：在端口V1和V2同时加上Von，则节点a的电压值
   
    若适当选择R1(R2)、R3，且R3>>N使节点a的电压Va≈Von>Va’，可使其触发；
    2)保持非选单元的关断状态：使端口V1和V2中至少有一个电压为零，则即使另一个为Von(设端口V2接地)，用作触发等效晶闸管的节点a的电压值
   
    若适当选择R1(R2)、R3，且R3>>N，且使节点a的电压，可使其不触发；
    3)保持非扫描行的已选通单元的开启状态：触发过后，LED单元靠端口Vcc所供的保持电压Vhold来保持点亮；
    4)关断已选通单元：当从端口Vcc撤去保持驱动电压Vhold的时候，LED则会关断。
    综上，只要选择适当的R1(R2)、R3，就可以把行扫描信号加在V1上，列信号加在V2上，给V1端口提供正向反转电压Von，如果某单元是非选的，则不给相应的端口V2提供正向反转电压Von即可，在非扫描时段的行，只要保持V1端口不提供正向反转电压Von则无LED单元可被触发选通。通过上述驱动电压，可使双行双稳态LED单元工作在双稳态状态下。
1．2 双行驱动LED单元电路正向反转电压区间分析
    对于双行驱动LED单元电路来说，要想使已经点亮的LED单元关断(清零)，只要使Vcc提供一个零电压即可；要想使LED实现保持，则提供一个稳定保持电压Vhold即可。
    R1(R2)、R3的选择不仅要使V1、V2施加电压值为Von时，LED单元能选通，而且在V1、V2其中有一个为零，另一个为Von时，LED单元应为非选状态。通过理论计算得出LED单元的正向反转电压区间，即Von的取值区间为：
   
    测得在双行双稳态LED电路研究中采用高亮度白光LED时BG1和BG2等效晶闸管触发电压为：Va’=2．7 V。在选择正向反转电压Von时，希望采用常规5 V驱动，以简化驱动电路及电源部分的设计和制造，故令正向反转电压为：Von=5V。
   
    另外，考虑电路实际，R1(R2)、R3还应符合以下条件：1)尽量选择大电阻值；2)应尽量使R3>>N。
    由此综合考虑，一般可以选择R1(R2)=5 kΩ，R3=51 kΩ。

2 双行双稳态LED显示屏的驱动
2．1 行反相扫描方式
    由双稳态LED单元组成的显示阵列具有和传统显示阵列所不同的行列驱动电路。具体来讲主要是在行驱动电路上：LED显示矩阵只有一个行驱动信号，只需要一套行驱动电压接入控制电路，而双稳态LED显示矩阵有两个行驱动信号。但这两个行驱动信号之间具有固定的合作关系，故利用这个特性，双稳态LED单元并不需要因为行驱动信号的增加而增加行驱动电压接入的控制电路规模，只需在一套行驱动电压接入控制电路的基础上简单地添加一组反相器即可使两个行驱动电路同时正常工作，这种驱动方式称为“行反相扫描方式”。行反相扫描结构的工作原理如图2所示。

    如图2所示，“反相扫描结构”上位机输送的行扫描信号及其反相信号被分别用于上下两行的行驱动电路的驱动电压接入控制信号，虚线框内为驱动电压接入电路，逻辑“1”和“0”表示是否为相应行驱动电路接入所需的驱动电压。通过此结构，可在上位机输送一组行扫描信号序列的情况下，为显示矩阵各行的两组行驱动电路取得正确的驱动电压接入控制信号，使显示屏各行有序地工作在各自应处的工作状态下。
    反相扫描结构的优点在于：
    1)不明显增加双行双稳态显示屏的驱动电路规模，仍然只使用一组上位机输送的行扫描信号，与普通的LED扫描驱动电路兼容；
    2)清零操作与行扫描选通操作同时在相邻两行进行，这样列显示数据的结构不需要为进行清零操作而插入冗余值占位，使得双行双稳态LED显示屏的显示数据结构以及相应的列驱动机制与普通的LED扫描驱动电路兼容；
    3)只需简单改变上位机输送的行扫描信号序列中“0”和“1”的排列情况，即可十分方便地改变和控制LED显示屏的占空比系数，实现双行双稳态LED显示屏与普通LED显示屏之间的占空比性能的平滑过渡。
2．2 占空比的控制
    一个N行的LED显示矩阵，上位机输送的行扫描信号为N位序列，其中M位为“1”，N-M位为“0”，由于“1”对应的行都处于“清零”状态(其中最远离“扫描”行的“清零”行的V1行驱动电路被接入了Von，与其他“清零”行不同，但这并不影响该行的清零工作)，全行关断，故显示屏占空比为：。改变行扫描序列中“1”的个数M即可改变占空比。如对于1个8行的显示屏来说，当行扫描序列为“1000 000 0”时，占空比为7／8；而当行扫描序列为“1110 0000”时，占空比即变成5／8；再考虑一个极端的情况，即行扫描序列为“1111 11110”时，占空比为1／8，此时的双稳态LED显示屏即和普通扫描驱动LED显示屏完全相同了，故普通扫描驱动LED显示屏就成为了双稳态LED显示屏的一种特殊状态。
    综上所述，通过“行反相扫描方式”，使双稳态LED显示屏实现了对普通扫描驱动LED显示屏外围驱动电路的全兼容。

3 双行双稳态LED显示屏的效果评测
    为验证双稳态LED显示屏在提升LED显示屏亮度方面的效果，设计了一个16x16的双行双稳态LED显示矩阵，显示屏矩阵结构如图3所示。

    通过实验，让双稳态LED显示屏分别显示3幅不同的图像，对每一幅图像都让双稳态LED显示屏工作在不同的占空比，并测试其对应的ANSI流明值。实验结果如表1所示。

    显然，实验结果符合塔尔博特一普拉窦定律，在使用相同LED发光器件的前提下，双稳态LED显示屏的亮度较普通扫描驱动LED显示屏最高可提高N-1倍(其中N为显示屏扫描周期内的行数)，与静态锁存驱动显示屏性能相当，并可根据需要改变占空比实现亮度控制。

4 结论
    结果证明，双稳态LED显示屏相对于传统的扫描驱动的LED显示屏来说，可以明显提高显示屏的主观视觉亮度，使其主观视觉亮度指标达到静态锁存驱动的显示屏水平，同时不明显增加电路规模，大大地扩展了LED显示屏的应用领域。
    并且采用双稳态LED单元组成的LED显示屏与传统扫描方式驱动的LED显示屏的外围电路完全兼容，只需对双稳态LED显示屏的行列驱动器加入一组反相器，即可以完全沿用以前的设备和产品，故升级成本低。一旦技术成熟，凭借其自身良好的性能和只增加很少投入的成本控制，将十分易于推广。该显示驱动技术与高亮度或超高亮度LED器件搭配，显示效果将大幅度提升。