LED显示屏原理及调试技术指南.docx

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LED显示屏原理及调试技术指南

LED显示屏原理及调试技术

第一章原理篇

第一节并行灯板原理

1.灯板驱动原理

图1讲的是如何才能让一颗LED灯点亮，我们知道红灯的Vf一般为2.2V左

右，绿灯、蓝灯的Vf一般为3.2V左右，一般电流设计在10mA~20mA，电流过高可能会烧坏LED灯，满足以上两个条件就可以驱动LED灯的正常点亮。

（Vled：

是供电电压，一般为5V，现在有下降的趋势，可以做到低压节能。

Vf：

是发光二极管正向导通电压，Vds：

是驱动芯片导通后电压）

图1

灯板实际是由多个LED灯组合而成的，下图是一个简单的单色灯板示意图：

图2

图3

图3是一个8*8大小，8扫的灯板，扫描屏灯板是逐行点亮的，两扫之间扫描间隔的时间是非常短的，由于人眼的视觉暂留效应，所以我们看起来就是连续的画面.驱动电路的框架如下图所示，行控制信号A、B、C控制138译码器，138译码器输出8路信号控制行管4953，然后4953输出端控制灯板每一行灯的阳极。

恒流驱动芯片的每个通道控制灯板的每一列，要想点亮一颗灯板，只需要把它所在的列输出低电平，行输出高电平即可。

2.驱动芯片的控制信号

●CLK时钟信号：

提供给移位寄存器的移位脉冲，每一个脉冲将引起数据

移入或移出一位。

数据口上的数据必须与时钟信号协调才能正常传送数据，数据信号的频率必须是时钟信号的频率的1/2倍。

●LAT（STB）锁存信号：

将移位寄存器内的数据送到锁存器，并将其数据内容通过驱动电路通过点亮LED显示出来。

●OE使能信号：

当OE为低时，启动OUT0—OUT15的输出，只要调整OE脉宽可以实现对整屏亮度控制，也用于显示屏消隐。

●SDI数据信号：

提供显示图象所需要的数据。

必须与时钟信号协调才能

将数据传送到任何一个显示点。

3.并行驱动的原理

数据传输（R、G、B分为3路，每路信号分别级联），R信号驱动一个像素点的红灯，G信号驱动一个像素点的绿灯，B信号驱动一个像素点的蓝灯，这样的驱动方式称为并行驱动，也是目前最主流的驱动方式。

下图是并行灯板中其中一种颜色的驱动方式，其他颜色的驱动方式与此相同。

图4

第二节串行灯板原理

串行灯板和并行灯板中的“串行”或者“并行”是指RGB数据的串行或者并行，并行灯板的RGB信号是独立的，每种颜色都有自己单独的数据信号。

而串行灯板的RGB信号是通过一根数据线来传输的，这就是串行灯板与并行灯板最本质的区别，串行灯板主要有以下几种类型。

一、三色16点串行支持的芯片:

通用芯片（带电流增益的也算），MBI5041/42，MBI505x；

不支持的芯片：

MY926x。

该方式驱动IC与灯的连接关系如下：

22

SDO

2

SDI

22

SDO

2

SDI

22

SDO

2

SDI

Driver3

Driver2

Driver1

即每个驱动芯片只带载一个颜色，至于每三个芯片中哪个芯片驱动什么

颜色是系统识别的，没有要求。

若需要抽点则需要按照像素红、绿、蓝一起抽，比如R3，G3，B3都不连，那像素3就抽掉了。

关键点是红绿蓝的抽点规律要一样。

二、四色16点串行这个应用很少，用于像素结构为两红一绿一蓝的应用，主要用于4灯虚拟应

用。

其支持和不支持的芯片以及连接和抽点规律同上面的三色16点串行。

三、三色1点串行支持的芯片:

通用芯片（带电流增益的也算）。

不支持的芯片：

MY926x，MBI5041/42，MBI505x。

该方式驱动IC与灯的连接关系如下：

22

SDO

2

SDI

22

SDO

2

SDI

22

SDO

2

SDI

Driver3

Driver2

Driver1

每个像素里面红绿蓝编排顺序系统可以识别，但是必须相同，比如：

不能

一个像素是RGB,下一个像素是GBR。

若需要抽点需要以像素为单位抽，比如将R5，G5，B5不连，像素5就抽掉了。

四、四色一点串行这个应用很少，用于像素结构为两红一绿一蓝的应用，主要用于4灯虚拟应

用。

支持的芯片:

通用芯片（带电流增益的也算）。

不支持的芯片：

MY926x，MBI5041/42，MBI505x。

该方式驱动IC与灯的连接关系如下：

22

SDO

2

SDI

22

SDO

2

SDI

22

SDO

2

SDI

Driver3

Driver2

Driver1

每个像素里面红绿蓝虚拟红编排顺序系统可以识别，但是必须相同，比如：

不能一个像素是RGBRr,下一个像素是RrGBR。

若需要抽点需要以像素为单位抽，比如将R5，G5，B5，RR5不连，像素5

就抽掉了。

若每个像素里面的虚拟红Rr不连空着不用，等价于三色应用，这种模式也是支持的。

五、专用串行IC

上面的四种应用在技术层面都不是串行最佳方案，三色16点存在布线难的问

题，三色1点应用存在红绿蓝由一颗IC驱动，电流一样，白平衡调节困难。

目前市面上有专用的串行应用IC，每个IC输出12个通道，等价于红绿蓝4个像素，每种颜色有单独的电流调节电阻，目前系统支持MY9221。

示意图如下：

第三节灯板驱动

一、常见芯片介绍

●74HC245

图5

74HC245的作用：

信号功率放大，在实际应用中灯板一般需要多块级联在一

起使用，这个时候线路会比较长，而控制信号是比较弱的，在传输过程中会造成衰减，所以，在信号传递过程中需要加245将它的功率进行增强。

第1脚DIR：

为输入输出端口转换用，DIR=“1”高电平时信号由“A”端输

入“B”端输出，DIR=“0”低电平时信号由“B”端输入“A”端输出。

第2~9脚“A”信号输入/输出端：

A1对应B1，A2对应B2，以此类推。

例如：

A1与B1是一组，如果DIR=“1”OE=“0”则A1输入,B1输出。

如果DIR=“0”OE=“0”则B1输入,A1输出。

第11~18脚“B”信号输入/输出端，功能与“A”端一样，不再赘述。

第19脚OE：

使能端，若该脚为“1”A/B端的信号将不导通，只有为“0”时A/B端才被启用，该脚也就是起到开关的作用。

●74HC138（三八译码器）

74HC138的作用：

八位二进制译码器，74HC138的作用是用来选择显示行，一个

74HC138可以选择8行中的一行，所以如果灯板上有2块74HC138，就可以实现选择16行，也就是通常所说的16扫。

第1~3脚A、B、C，二进制输入脚，第4~6脚片选信号控制，只有在4、5

脚为“0”6脚为“1”时，芯片才会被选通，此时输出才受A、B、C信号控制，其它任何组合方式将不被选通，且Y0~Y7输出全为“1”。

138组成16扫译码

如图所示利用使能端能方便地将两个3/8译码器组合成一个4/16译码器，

当A3为低电平时，先驱动低位138译码输出，然后A3变为高电平，使能高位

138译码输出，从而组成4/16译码器。

●4953（行驱动管）

4953的作用：

又叫行驱动管、功率管，由于要驱动灯板一整行的灯，所需要的电流是比较大的，所以需要使用行驱动管来驱动，每片4953可以驱动2个显示行。

其内部是两个CMOS管，1、3脚VCC，2、4脚控制脚，2脚控制7、8脚的输出，4脚控制5、6脚的输出，只有当2、4脚为“0”时，7、8、5、6才会输出，否则输出为高阻状态。

74HC595：

LED驱动芯片，8位移位锁存器。

第8脚GND，电源地。

第16脚VCC，电源正极第14脚DATA，串行数据输入口，显示数据由此进入，必须有时钟信号的配合才能移入。

第13脚EN，使能口，当该引脚上为“1”时QA~QH口全部为“1”，为“0”时QA~QH的输出由输入的数据控制。

第12脚STB，锁存口，当输入的数据在传入寄存器后，只有供给一个锁存信号才能将移入的数据送QA~QH口输出。

第11脚CLK，时钟口，每一个时钟信号将移入一位数据到寄存器。

第10脚SCLR，复位口，只要有复位信号，寄存器内移入的数据将清空，显示屏不用该脚，一般接VCC。

第9脚DOUT，串

行数据输出端，将数据传到下一个。

第15、1~7脚，并行输出口也就是驱动输出

口，驱动LED。

二、信号驱动规则

控制信号进入驱动板后，一般要驱动比较多的芯片。

所以，要先经过245驱动。

以CLK为例进行说明，输入信号“CLK_IN”经过245驱动4个同源信号。

CLK1、CLK2、CLK3、CLK4分别驱动本板内1/4的LED驱动芯片；

扫描行线A、B、C、D，在本板内只用一个地方，所以经过245后输出2个同源信号就可以了。

一个输出到下一级驱动板，一个供内部138使用；

为了避免出现干扰问题建议灯板做成4层板，不要做2层板，电源线、地线要符合相关的高速布线规范，减少干扰。

三、LED显示屏常见信号

●CLK时钟信号：

提供给移位寄存器的移位脉冲，每一个脉冲将引起数据移入或移出一位。

数据口上的数据必须与时钟信号协调才能正常传送数据，数据信号的频率必须是时钟信号的频率的1/2倍。

在任何情况下，当时钟信号有异常时，会使整板显示杂乱无章。

●STB锁存信号：

将移位寄存器内的数据送到锁存器，并将其数据内容通过驱动电路点亮LED显示出来。

但由于驱动电路受EN使能信号控制，其点亮的前提必须是使能为开启状态。

锁存信号也须要与时钟信号协调才能显示出完整的图象。

在任何情况下，当锁存信号有异常时，会使整板显示杂乱无章

●EN使能信号：

整屏亮度控制信号，也用于显示屏消隐。

只要调整它的占空比就可以控制亮度的变化。

当使能信号出现异常时，整屏将会出现不亮、暗亮或拖尾等现象。

●数据信号：

提供显示图象所需要的数据。

必须与时钟信号协调才能将数据传送到任何一个显示点。

一般在显示屏中红绿蓝的数据信号分离开来，若某数据信号短路到正极或负极时，则对应的该颜色将会出现全亮或不亮，当数据信号被悬空时对应的颜色显示情况不定。

●ABCD行信号：

只有在动态扫描显示时才存在，ABCD其实是二进制数，A是最低位，如果用二进制表示ABCD信号控制最大范围是16行（1111），1/4扫描中只要AB信号就可以了，因为AB信号的表示范围是4行（11）。

当行控制信号出现异常时，将会出现显示错位、高亮或图像重叠等现象。

第四节异形灯板抽点抽行规则

目前很多灯板由于尺寸、结构、显示效果等要求，往往会需要抽点或者抽行，也就是抽列或者抽行，但是我们控制系统对抽点抽行是有要求的，需要按照一定的规律抽，我们系统才能支持，不然后续往往会造成繁杂的程序定制或者直接是无法点亮。

一、抽点：

1）抽点一般分为两种，一种是RGB信号按照统一的规律抽点，这种直接在

智能设置的时候选择无亮点就好了，无需修改程序。

如下图.

2）第二种是抽最后一个通道的，这种一般是串行驱动才按这种方式抽点，需要修改程序支持，具体的抽点方式如下图，也称之为抽通道：

二、抽行：

抽行是一个灯板里面，不同的数据组带载的行数不一样或者单组数据带

载有打折，每一折带载的行数不一样，这种带载方式我们称之为抽行。

数据打折的抽行方式如下图：

像这种抽行方式，我们可以通过智能设置点亮单组数据的带载区域，然后通过构造异形点亮箱体。

在模组设计的时候，我们不建议抽行，如果一定要抽行的话，需抽数据组的最后一行。

第五节点检

一、点检的原理

点检是控制系统通过对驱动芯片的Vds（驱动芯片通道导通后电压）值进行判断，从而判断灯板是否有LED灯短路或者开路。

要实现点检，同时需要驱动芯片支持。

点检的基本过程：

系统按照芯片的要求把对应的逻辑时序（启动开路检测，关闭开路检测）发送给驱动芯片，芯片收到对应命令后自己会执行开路或短路检测，然后通过SDO脚输出点检数据至我们的监控卡或灯板MCU的对应引脚。

我们的系统再对芯片输出的点检数据进行组包、回传、解析，并把点检结果显示在LCT软件界面或一些显示端口。

点检的原理如下图。

1）短路错误侦测

是通过比较Vds和Vds,th阈值的大小，只不过Vds,th可由控制器设置成

0.33VDD、0.45VDD、0.58VDD和0.73VDD，当然根据不同的芯片可能相应的阈值不尽相同。

若检测到Vds>Vds,th则以错误码0显示负载短路。

2）开路错误侦测

基于实际输出端的耐受电压（Vds）与目标值（Vds,th）即0.3V的比较，来判定

每个输出端的LED的负载状态。

若Vds

在控制器下达“错误侦测”的指令后，驱动芯片输出端将会以一定的电流开启，进行开路错误侦测。

驱动芯片再通过SDO脚输出每一个位。

3）系统侦测基本原理一般驱动芯片开路错误侦测的原理是基于实际输出端的耐受电压（VDS）与目

标值（VOD,TH）即阈值电压（个别驱动芯片此值可调整）的比较，来判定每个输出端的LED负载状态。

当“强制错误侦测”的指令下达后，驱动芯片输出端将会以极小的电流开启进行错误侦测。

完成开路错误侦测后，驱动器会将错误组态

数据搬移“位移缓存器”，储存在缓存器的错误状态数据将会在新数据输入后，透过SDO脚位输出至每个位。

检测电压<阈值电压，则认为是坏点，若有一颗LED为开路，错误码将为将显示为“0”并且将命令透过SDO脚位输出。

不同驱动芯片的点检启动和结束命令时序不同，这个可以根据查找该驱动芯片的手册，找“强制错误侦测”相关命令信息，可以知道该芯片是否支持点检以及时序是什么。

4）行线上的电压对点检的影响

●开路的情况

假设D2开路，根据驱动芯片的开路检测原理，如果Vds端检测到的电压小

于Vds,th（0.3V）则驱动芯片会认为负载开路。

而如果点亮Line2的时候，上一行Line1行线上的电还没有放完，假设还有压降Vr，则通过D1后的压降为Vr

–Vf，如果Vr–Vf大于Vds,th（0.3V）时，则驱动芯片则无法检测到D2开路，这时漏检就产生了。

●短路的情况

假设D1短路，则Vds>Vds,th很容易就检测到D1短路了，但是当开始检

测第二行即D2时，由于第一行Line1的行电还没有放完，当这个行电Vr一旦大于Vds,th时，则检测到的Vds就会大于Vds,th驱动芯片就会认为第二行D2也是负载短路。

这样短路检测就会出现多检或虚检的情况了。

从点检的可靠性角度出发要求点亮当前行的时候上一行的行线上电压越低越好。

所以点检时要考虑行线的电压的影响。

第六节驱动IC的分类与优缺点分析

目前市面上的ＬＥＤ屏驱动IC，根据芯片架构和显示效果来分类，大致可以

分为三类：

①通用芯片②双锁存IC③PWM型的芯片

一、通用芯片：

是普通的ON－OFF型芯片，可以满足基本的显示需求，主要

有MBI5024、TLC59281、ICN2026等。

定位为基础型，芯片架构图如下：

●CLK时钟信号：

提供给移位寄存器的移位脉冲，每一个脉冲将引起数据移入或移出一位。

数据口上的数据必须与时钟信号协调才能正常传送数据，数据信号的频率必须是时钟信号的频率的1/2倍。

●LAT（STB）锁存信号：

将移位寄存器内的数据送到锁存器，并将其数据内容通过驱动电路点亮LED显示出来。

●OE使能信号：

当OE为低时，启动OUT0—OUT15的输出，只要调整OE脉宽可以实现对整屏亮度控制，也用于显示屏消隐。

●SDI数据信号：

提供显示图象所需要的数据。

必须与时钟信号协调才能将数据传送到任何一个显示点。

二、双锁存ＩＣ：

主要有MBI5124、ICN2038、MY9868等,普通的恒流驱动由于刷新率不足，明显清晰度不佳，而双锁存驱动可以有效增加刷新率。

双锁存顾名思义就是两个锁存器，我们普通芯片如ICN2026、MBI5020等只有一个锁存器；双锁存之所以刷新率会翻倍，是因为一个锁存器存满了在发

送的同时另一个锁存器也已经在储存（一个在信号传输，另一个信号存储），

就这样无限循环；而普通芯片是单个锁存器的，信号要存储满后发送完才能

下一次存储在发送，这样就会相对比较慢。

双锁存无形中就提高了我们的效率，提高刷新率。

三、S-PWM型的芯片：

目前主要有MBI515X系列、ICN2053、SUM2032等。

PWM

高灰阶恒流驱动芯片，具有高刷新率、高灰阶、高恒流精度的高端驱动芯片。

PWM高灰阶恒流驱动芯片，与市面上流通率较高的双锁存恒流驱动芯片或传统的普通恒流驱动芯片相比，所设计的带载宽度比双锁存驱动芯片和普通恒流驱动芯片更大、更宽，芯片内部自带存储器，内部的芯片面积比双锁存恒流驱动芯片和普通恒流驱动芯片大了4倍。

内置16位灰阶控制的SM-PWM技术，并可选用不同的外接电阻对输出级电流大小进行任意调节，精确控制LED的发光亮度;并且SM-PWM技术通过灰度数据和灰度时钟共同作用,将LED导通的时间平均分散成数个较短的导通时间且保持灰阶精度不变，不仅提升了刷新率，而且降低对控制器所发送灰度时钟的要求提升视觉刷新率，进而减少画面的闪烁。

内建的PWM高刷新算法，具备高刷新、高灰阶和高利用率等特点。

四、主流IC功能参数一览表

第七节灯板常见问题的产生原因与解决方案

一、余晖余晖现象是多行扫设计中最早被发现的低灰显示问题之一，主因是显示屏换

行与换列的运行间，对于PCB上的寄生电容的充放电因素导致让不该点亮的LED

点亮，使用斜扫图案检验时更为明显。

余晖现象可分为上行余晖与下行余晖。

1）上余晖现象

扫描运行时如图1所示，若第一行导通时，LED1亮，LED3不亮，此时也会对第一行Cpar1进行充电，而换至第二行导通时，若原本只应让LED4亮，但LED3也会随之发亮，因为PCB上的行寄生电容Cpar1被VLED1进行充电且保持住，而在换列时经由LED3形成一泄放路径至Driver-IC使其LED发亮，此为上余晖效应。

解决方式是使用外加泄放电路做为行PCB寄生电容的泄放路径，如图2所示，在换行时预先将行寄生电容的电荷泄放，则可解决经由LED为泄放路径的问题，进而将上余晖现象消除。

系统参数的调节改善上余晖，主要调节消隐时间、余晖控制结束时刻和换行时刻来改善，他们之间的相互关系如下：

2）下余晖现象

扫描运行时如图3所示，若扫第一行时第一列导通LED1发亮第二列关断LED3不亮，此时Cpar1通过第一列进行放电动作，当换至第二行，若原本只应第二列导通LED4发亮，但LED2也会随之发亮，这是因为列上的PCB寄生电容Cpar1在扫第一行时被先行放电至低电位，所以换行时会经由LED2形成充电路径至Driver-IC使其LED发亮，此则称为下余晖效应，运作波形如图4所示。

利用显示屏驱动IC内建的预充电电路如图5所示，应用在换行扫描运作时预先做充电动作，可先行将列上的PCB寄生电容充电，将列上的电压提高，而做换行时则可阻断列电容的充电路径消除下余晖效应，消除下余晖运作原理如图6所示。

上屏观察结果，图7显示其下余晖现象明显，图8使用预充电技术将下余

晖现象消除。

二、低灰白平衡色偏

图9与图10使用的测试图案是低灰白色样式，预充电功能开启，可以观察到模组有偏红的现象。

要使用具备修正色偏的功能的驱动芯片可以消除这个问题，图10中的模组在开启预充电的情况下消除了色偏的现象。

三、第一扫偏暗

扫描屏运行方式为一行一行逐次点亮如图15所示，若当一帧（frame）的LED关闭时间远大于导通时间时，PCB灯板上的寄生电容效应会导致列电压提高，特别是对第一行扫导通时列电压会较其他行扫的列电压高，导致第一行扫导通时的LED电流变小，造成第一行LED亮度降低如图16所示，于实际点屏显示时则可观察到有第一行扫有偏暗的现象。

应用行扫补偿技术在行扫进行时针对第一行做电流补偿，来补充因PCB灯板上电容效应损失的电流，以消除扫描显示屏于第一行产生的暗线问题，图17为理想LED的电流波型，图18为受PCB灯板上的电容效应影响的波形，图19则为本文所提出补偿技术之结果。

图20是一个32X32的16扫模块，使用的测试图案是低灰单色样式，可以

注意到图片最上方及中间都有第一行扫偏暗的现象。

上屏观察结果，图20显示有行扫暗线问题，图21是在开启驱动芯片的消除第一行扫偏暗功能后所拍摄的，第一行扫偏暗的消除效果良好。