提升高端显示屏刷新率的方法

作者：台湾聚积科技股份有限公司 技术市场部 产品企划工程师 林信宏

LED显示屏的灰阶度

灰阶度就是显示屏上每一颗LED亮度的分辨率，举例来说，4bit灰阶度表示LED有16阶的亮度变化。而LED驱动芯片的灰阶度控制，实行方式如图1所示。LED亮度的灰阶度是由驱动芯片上的OE宽度与SDI来控制，以图1中的第一个LED要显示的灰阶度5为例，SDI必须在OE宽度为1和4打开输出开关，以得到整体的LED显示灰阶度为5。而灰阶度为9、4与11则以此类推，以不同的SDI和OE宽度的排列组合得到不同的LED灰阶度，也就会显示出不同的LED亮度变化。除此之外，OE的单位宽度愈短，完成一个灰阶度变化的周期也就愈短，也就是单位时间内，所能得到的刷新率也就愈高。

最短OE脉宽与高刷新率的关系

驱动芯片中OE的最短脉冲宽度及反应时间(tr/tf)决定了灰阶度的高低，所谓最短OE脉宽就是在能够维持所有信道输出电流线性度的条件下，OE可打开的有效宽度。愈小的OE脉宽，就能产出愈高的输出色阶，也就是拥有愈快速的输出电流响应，刷新率及输出灰阶度也就愈高。其中刷新率与输出灰阶度与OE最短脉冲宽度、系统数据传输速度、串接芯片个数与芯片输出信道数有关，如图2如示，列出参考公式如下:

Frefresh : 刷新率(Hz)

根据上列参考公式，如果单一控制器有8个输出口，带截面积为64×64单色屏，所需要的串接芯片个数NIC=32，输出灰阶度设为12位(4,096级)，如果采用具备16个输出信道、数据传输速度为20MHz和OE最短脉冲宽度为300ns的驱动芯片，代入计算可得到刷新率有723Hz，但如果输出灰阶度想提高为14位(4,096级)，刷新率则是下降至196Hz，如果输出灰阶度想提高到16位(65,536级)，刷新率则仅有50Hz，而一般系统输入的画面更新率至少60Hz，因此如此低的刷新率已无法供应一般显示屏系统的需求。

在上述情况中，如果想提高输出灰阶度，同时又想提高刷新率，可以选择较小OE脉冲宽度的驱动芯片。如果采用OE最短脉冲宽度为50ns的芯片，即使数据传输速度为10MHz，输出灰阶度提高为16位(65,536级)，刷新率仍可输出287Hz，在输出灰阶度设为14位(4,096级)时，刷新率可提升到1001Hz，在输出灰阶度设回为12位(4,096级)时，刷新率更可大幅提高到1,953Hz。所以愈小的OE脉冲宽度，可提升输出的色阶和画面的刷新率，高输出色阶则提供了更丰富多彩的LED显示屏图像，而高刷新率提供了LED显示屏流畅无闪烁的画面播放。

最短OE脉宽对输出电流突波的影响

图3 较大0E脉冲宽度的输出电流波形

OE脉冲宽度的大小是影响输出电流突波的关键因素，如图3所示，OE脉冲宽度大于500ns时，输出电流的上升时间为37.99ns，并无产生任何突波。不过如果想要得到较高输出的色阶和较快的画面刷新率必须降低OE脉冲宽度，但较小的OE脉冲宽度需要较快的上升/下降时间(tr/tf)来维持脉冲宽度的完整性，但较快的tr/tf会使得一般LED驱动芯片的输出电流产生突波，如图4所示，OE脉冲宽度小于100ns时，输出电流的上升时间为8.2ns，由法拉第定律知VL=L(dI/dt)，可明显地可以看出输出电流在关闭时产生严重的突波现象，而输出电流的突波不仅可能击穿驱动芯片的输出信道，造成芯片的损坏，也使得整个LED显示屏电磁波干扰的现象变得严重，显示屏画面会产生抖动甚至是系统的毁损。

图4 较小OE脉冲宽度产生严重突波

电流突波的改善

想要改善上述LED驱动芯片输出电流的突波，可以通过降低输出信道的开关速度，以及错开输出通道间的开关时间这两种设计方式来进行。所谓输出信道的开关速度，也就是控制输出通道的Slew-rate，输出电流的上升/下降时间(tr/tf)愈长，输出电流上升/下降的波形就愈平缓，也就愈能抑制电流突波的现象，降低电磁波干扰。但tr/tf过大会产生扭曲的波形，影响输出电流的反应速度，所以LED驱动芯片必须有能力在输出信道的开关速度tr/tf和电流突波之间取得一个最佳的平衡。

另外，错开输出通道间的开关时间也可以改善LED驱动芯片的输出电流突波，也就是藉由输出通道不在同一瞬间开启与关闭来降低电源在线的瞬间电流。如图5所示，左侧的4个输出通道OUT0~OUT3在同一瞬间同时开启，结果造成一个很大的突波电流，反观右侧的4个通道分别错开输出，电源在线的瞬间电流被平均分散，降低了尖峰电流，也改善了输出电流的突波和电磁波干扰的问题，而图6为聚积LED驱动芯片的实际测量错开输出通道间的开关时间波型图，输出通道依次先后开启，相邻两通道大约有15ns的延迟时间。

图5 错开输出通道间的开关时间

高端显示屏的需求

要达到高档显示屏的需求，除了要有高的刷新率，使LED显示屏能流畅无闪烁地播放画面，也需要具备高输出色阶的能力，来达到更丰富多彩的LED显示屏图像。上述两者需求可以通过选择具有较短OE脉冲宽度的LED驱动器来提高刷新率及输出色阶，但使用外部的灰阶度控制还是会受到系统传输速度和频宽限制的影响，而降低刷新率与输出色阶。另一种选择则是通过内建PWM控制的LED驱动芯片，则可以较小的数据传输量来提高传输速度，达到提升刷新率与输出色阶的效果。具有较短OE脉冲宽度的LED驱动器，可参考聚积科技的MBI5036，而内建PWM控制的LED驱动芯片，则可参考聚积科技的MBI5042。[!--empirenews.page--]

图6 聚集LED驱动芯片实际量测错开输出通道间的开关时间波形图

参考文献：

[1] 聚积科技MBI5036 Preliminary Datasheet V2.00

[2] 聚积科技MBI5042 Preliminary Datasheet V1.00

[3] 聚积科技MBI5040 Preliminary Datasheet

[4]LED屏幕驱动技术中的奥秘: 交流响应[OL].

[5] LED点阵显示屏的特点及扫描驱动方案[OL].