【技术】共阴极LED显示屏双芯片方案

   近年来，小间距LED显示屏飞速发展。随着点间距的不断变小，显示屏上LED灯和元器件的密度大大增加。元器件密度增加，意味着发热量的增加。发热一方面会导致热均匀性变差而影响显示屏的灰度均匀性，影响显示屏的显示性能，更为严重的是将大大影响产品可靠性，降低使用寿命。同时，不必要发热还造成了能量浪费，电力成本增加，不符合当下社会节能减排的绿色环保需求。

   为了提升小间距屏的产品性能和可靠性，也为了更好地响应节能减排的号召，市场对低功耗LED显示屏系统方案的需求变得更为迫切。

二、传统方案

   传统LED显示屏大都采用共阳极方案，如图1所示。

图1

   全彩LED显示屏中的每个像素由包括红、绿、蓝三色的LED灯组成。在动态扫描屏中（小间距屏大都为扫描屏，且扫描数高），由行驱动电路选择点亮的行与电源VCC导通，再由列驱动电路根据显示数据将恒流源打开或关闭一定的时长，使与其相连的相应行的LED灯点亮相应的时长。

   如图1所示，电源电压VCC = VDr + VF+ VDS，其中：

   》VDr、VDS为行/列驱动电路的工作压降，通常其工作压降≤0.3V；

   》VF为LED灯的正向电压，各灯之间差异较大，且红灯与蓝、绿灯存在1~1.2V的压差，表1所示为LED灯珠的典型规格参数。

表1 LED灯珠的正向电压

   为使RGB三色均能正常点亮，兼顾绿灯G、蓝灯B的亮度，同时考虑到行驱动电路和列驱动电路的工作电压，并为系统留有一定的余量，传统共阳极LED显示屏系统需提供较高的电源电压，以表1所示参数的LED灯珠构成的显示屏为例，其输入电压VCC应满足：

   VCC ≥ 0.3 + 3.6 + 0.3 = 4.2V。

   这将导致恒流驱动电路的恒流输出端不得不承担多余的压降，尤其是红灯的恒流源，至少需承担1～2V的电压，远远高于提供恒流输出所需的最低电压，引起芯片过热，及整系统发热不匀进而影响显示效果。有时为了不影响恒流源的使用寿命，传统显示屏系统中，尤其是红灯也会使用分压电阻，用以分担多余的电压以分担发热，但总的能量依然浪费。

   对于小间距显示屏而言，由于其上LED灯和元器件密度的大幅增加，若仍沿用传统共阳极方案，将放大上述能耗和发热，使得显示屏各项性能指标难以达到*佳的状态。

   另外，小间距显示屏大都扫描数较多，系统刷新率、灰阶等显示指标难以做好，且消影、耦合等显示效果难以调好。

三、视芯的共阴极方案

   为了更好地减温降耗节能，同时提升小间距显示屏的显示性能，视芯科技推出了共阴极LED显示屏双芯片解决方案，如图2所示。

图2

   视芯的共阴极双芯片方案可对RGB三色进行分开供电，可以解决共阳方案容易导致恒流源压降过高的问题。其中，行、列驱动电路的工作压降≤0.3V，仍以表1所示参数的LED灯珠构成的显示屏为例，红、绿、蓝三色的输入电压可分别设置为：

   VCC3= 0.3 + 2.4 + 0.3 = 3.0V；

   VCC2= 0.3 + 3.6 + 0.3 = 4.2V；

   VCC1= 0.3 + 3.6 + 0.3 = 4.2V。

   如此，可大幅降低红灯电源电压，蓝、绿两色电压差异不大，两者电源可合一。

   以下，分别计算共阳极方案和共阴极方案的功耗分布。

   以表1所示参数的LED灯珠构成的模组为例，正向电压VF采用典型值，若该模组每路R/G/B电流分别为18/12/4mA，共阳极方案时电源电压为4.2V，各部分功耗分别如下：

   1) 每列驱动用于发光的功耗：1.8*18 + 2.9*12 + 3.0*4 = 79.2mW

   2) 每列驱动非发光/发热的功耗：2.4*18 + 1.3*12+ 1.2*4 = 63.6mW

   3) 驱动外功耗/发热：1颗恒流驱动电路工作电流约6mA，每列功耗约4.2*(3*6/16)=4.725mW

   4) 总功耗：79.2+63.6+4.725=147.525mW

   以一样的LED灯珠构成的共阴极LED模组，每路R/G/B电流仍分别为18/12/4mA，红灯电压为3.0V，蓝绿电压为4.2V，各部分功耗分别如下：

   1) 每列驱动用于发光的功耗（不变）：1.8*18 + 2.9*12 + 3.0*4 = 79.2mW

   2) 每列驱动非发光/发热的功耗：1.2*18 + 1.3*12+ 1.2*4 = 42mW

   3) 驱动外功耗/发热：1颗恒流驱动电路工作电流约6mA，分到每列功耗不变，约4.2*(3*6/16)=4.725mW

   4) 总功耗：79.2+42+4.725=125.925mW

   两个方案的功耗对比如下表所示：

   对比可知，相较于传统共阳极方案，视芯共阴极双芯片方案红灯的恒流源无需承担较高的工作电压，也无需使用分压电阻进行分压，LED显示屏的系统功耗更低，芯片发热降低，发光效率提升，减少了能量浪费。

   除了共阴极方案本身带来的低功耗特点，视芯提出的双芯片方案基于核心IC还具有以下多项优点。

   1. 低功耗设计

   为更好的满足小间距显示屏的应用需求，视芯方案还具有其它方式的低功耗设计：

   》采用了创新的通信方式以及专利算法，方案无需高频时钟GCLK即可实现高显示性能，驱动电路内部没有PLL模块，系统功耗低；

   》方案采用了动态节能技术，实时进行图像检测，当检测到图像全黑或低灰时进入更低功耗模式，降低了系统功耗和能量浪费；

   》驱动电路还可根据配置的电流值设置合适的饱和压降，有助于选择更低工作电压，进一步减少能量浪费和芯片发热；

   》还可结合电源控制方案，利用可编程电源，增加恒流源压降检测模块，使电源电压工作于尽可能低的电位，进一步降低不必要的能量浪费，实现系统低功耗、低发热。

   2. 结构简洁，高性能

   视芯的双芯片方案进一步简化了结构，提升了显示性能：

   》双芯片方案，无需译码电路、驱动电路等辅助IC，元器件种类少，易于PCB设计和布板；

   》内置大容量存储，扫描可支持高达64扫，进一步减少元器件数量，PCB设计和布板更为简洁，并且进一步降低整系统成本；

   》行/列驱动电路的通信方式均采用创新的专利技术，通信没有高频的GCLK（传统PWM芯片高达10MHz以上的GCLK是影响系统EMC的主要原因），通信时钟通常低于10MHz，易于电磁兼容设计；

   》采用专利算法实现高刷下高辉高精度，灰阶位数更多，灰阶精度更高，不浪费显存，使显示屏拥有高显示性能。可根据不同扫描数，实现更多的灰阶位数，提升灰阶精度。

   3. 消残影&去耦合

   因寄生电容的存在，LED显示屏在追求高刷新、高对比度的同时，将不可避免的遇到显示残影、耦合现象、短时间脉冲下恒流驱动误差等诸多因素对图像质量的影响。小间距LED显示屏，通常使用更高的扫描设计及更小恒流驱动电流，这将使显示残影、耦合现象、首扫偏暗等问题更为突出。

   视芯驱动电路内置智能消影控制模块，可以行列联动精确控制消影的时机和程度，高刷新率下也可有效消除行/列影。双芯片方案能更好地均衡高刷下的消影效果和开短路造成的“十字架”、“毛毛虫”现象，实现高刷下良好消影效果。

   智能消影控制模块做到的“行列联动精确控制”，也能较好地解决耦合效应，达到传统方案无法做到的效果，使图像高亮与低亮部分不再相互影响，色彩过渡自然而连续。

   综上，视芯推出的共阴极LED显示屏双芯片方案，是一款技术领先的方案，具有低功耗、少发热、高显示品质、低系统成本等多方面的优势。