LED显示屏系统原理及工程技术
发布时间：2004-9-5
本主题首先介绍了LED显示屏的发展与应用概况。在第一章中叙述了LED显示器件的基本工作原理及特性，详细介绍了LED点阵显示屏的具体电路和参数。第二章针对广泛应用的图文显示屏，在介绍它的基本组成之后，对各部分LED显示屏电路进行了深入的分析，并给出了完整实用的硬件电路图和全部汇编语言程序清单。第三章的内容是图象显示屏，侧重分析了LED显示屏的灰度控制方法，并介绍了集成电路TLC5902的特性及应用。第四章讨论了当时最先进的视频显示屏，就视频信号源的组织、视频LED显示屏的结构、主要集成电路芯片，以及配套的应用软件等，分别介绍了ZQL9701、DS90C031等芯片的技术特性和LEDSHOW、&ldquo；LED管理工具&rdquo等软件的使用方法。书后还附有我LED的行业标准。本书可供从事各类LED显示屏工作的工程技术人员参考，也可作为大专院校有关专业的教书参考书或教材。
前 言
LED显示屏是利用发光二极管点阵模块或像素单元组成的平面式显示屏幕。由于它具有发光率高、使用寿命长、组态灵活、色彩丰富以及对室内外环境适应能力强等优点，自20世纪80年代后期开始，随着LED制造技术的不断完善，在国外得到了广泛的应用。在我国改革开放之后，特别是进入90年代国民经济高速增长，对公众场合发布信息的需求日益强烈，LED显示屏的出现正好适应了这一市场形势，因而在LED显示屏的设计制造技术与应用水平上都得到了迅速的提高。LED显示屏经历了从单色、双色图文显示屏，到图象显示屏，一直到今天的全彩色视频显示屏的发展过程。无论在期间的性能（提高亮度LED显示器及蓝色发光灯等）和系统的组成（计算机化的全动态显示系统）等方面都取得了长足的进步。目前已经达到的超高亮度全彩色视频显示的水平，可以说能够满足各种应用条件的要求。其应用领域已经遍及交通、证券、电信、广告、宣传等各个方面。我国LED显示屏的发展可以说基本上与世界水平同步，至今已经形成了一个具有相当发展潜力的产业。应该指出的是，我国LED产业不但在应用技术上取得了巨大的成功，而且在创新能力上有出色的表现，例如北京中庆数据设备公司研制的ZQL9701超大规模芯片，就代表了当前LED显示屏控制电路的国际水平。
与国内LED显示屏产业的迅速发展相比，目前关于LED显示屏的图书资料显得太少，不便于设计制造人员及运用维护人员的工作，由此萌发了编写一本LED显示屏技术用书的想法，适逢电子科技大学出版社之邀，斗胆动笔草就本书。书中分别就LED显示屏的概况、LED显示器件、图文显示屏、图象显示屏、视频显示屏等有关技术问题进行了叙述，以期使从事各类LED显示屏工作的读者能够从本书中得到一些有用的材料。
由于LED显示屏是多种综合应用的产品，涉及光电子学、半导体器件、数字电子电路、大规模集成电路、单片机及微机等各个方路及方法还要花较大篇幅进行介绍，容易冲淡主题。反过来采用集成电路和单片机等简单普及的刻与LED显述硬件又有软件。上述各个领域都自成体系，在本书中无法一一尽述，只能以显示意直接有关的部分，而不追求各相关技术自身的完成性；二、尽量采用简单普及的方案进不方案，可以追求相关技术的先进性。例如在一些控制电路中，能用常规集成电路实现，而又面，既示避免各个相关技术“从头说起”的麻烦，从而达到精简内容突出重点的目的。而不行描屏有进行讨论。书中在处理相关领域技术方面采取了以下两条对策：一、侧重叙述屏为主线，介绍相关技术在LED显示屏中的应用，不采器件的方案。
LED驱动电路概述
发布时间：2004-9-5
LED驱动电路概述
��1． 概述
��LED是一种固体光源，当它两端加上正向电压，半导体中的少数载流子和多数载流子发生复合，放出的过剩能量将引起光子发射。采用不同的材料，可制成不同颜色有发光二极管。作为一种新的光源，近年来各大公司和研究机构对LED的研究方兴未艾，使其光效得以大大提高，飞利浦与Agilent的合资公司目前已研发并生产出光效达到171m/W的白色LED，已达到白炽灯的水平。和白炽灯的相比较，LED在性能上具有很多优点，见下表：
表1 白炽灯与白色LED的性能比较
LED驱动电路概述
发布时间：2004-9-5
LED驱动电路概述
��1． 概述
��LED是一种固体光源，当它两端加上正向电压，半导体中的少数载流子和多数载流子发生复合，放出的过剩能量将引起光子发射。采用不同的材料，可制成不同颜色有发光二极管。作为一种新的光源，近年来各大公司和研究机构对LED的研究方兴未艾，使其光效得以大大提高，飞利浦与Agilent的合资公司目前已研发并生产出光效达到171m/W的白色LED，已达到白炽灯的水平。和白炽灯的相比较，LED在性能上具有很多优点，见下表：
表1 白炽灯与白色LED的性能比较
随着对LED研究的进一步深入，其光效将进一步得到提高，而其成本将一步下降，在不久的将来LED取代白炽灯甚至荧光灯而发展成21世纪的一种主要的照明光源将成为一种趋势。
��新的光源呼唤新的电子镇流器，飞利浦照明电子在致力研发新的LED的同时，已于近年在全球各大开发中心开始了LED驱动电路的研究，在此研发领域已占据了世界领先的地位。
��2． LED驱动电路概述
��与荧光灯的电子镇流器不同，LED驱动电路的主要功能是将交流电压转换为直流电压，并同时完成与LED的电压和电流的匹配。
��LED的正向伏安特性如图1所示：
所以，LED伏安特性的数字模型可用下式表示
��VF=Vturn-on+RsIF+（ΔVF/ΔT）（T-25℃） （1）
��其中，Vturn-on 是LED的启动电压
��Rs 表示伏安曲线的斜率
��T 环境温度
��ΔVF/ΔT是LED正向电压的温度系数，对于多数LED而言典型值为-2V/℃。
��从LED的伏安曲线及数字模型看，LED在正向导通后其正向电压的细小变动将引起LED电流的很大变化，并且，环境温度，LED老化时间等因素也将改变影响LED的电气性能。而LED的光输出直接与LED电流相关，所以LED驱动电路在输入电压和环境温度等因素发生变动的情况下最好能控制LED电流的大小。否则，LED的光输出将随输入电压和温度等因素变化而变化，并且，若LED电流失控，LED长期工作在大电流下将影响LED的可靠性和寿命，并有可能失效。
��3． 各种LED驱动电路拓扑结构的简要分析
��飞利浦照明电子近年来致力于LED驱动电路的开发，已研发出多种LED驱动电路拓扑结构以适合各方面客户的需求，产品已广泛地运用于照明，汽车电子，路标，显示背光等领域。
��一种简单的LED驱动电路的拓扑结构如图2所示：
� 这种LED驱动电路主要由电源隔离变压器，AC-DC整流器和限流电阻组成，变压器起到隔离和变压的作用，而限流电阻的作用主要是控制LED电流，限流电阻R应该比LED的正向等效电阻Rs要大，这样才能克服LED电流随输入电压和环境温度等因素而产生的变化，但是从效率角度，却不应取得太大。
��在实际运用中，负载常采用通过串并联形成的LED阵列，这会使输出电流随输入电压和环境温度等因素而发生的变化更加显著，并且阵列形式或LED个数变化，限流电阻也应相应变化，所以采用这种简单结构的LED驱动电路一般只适合于驱动阵列形式固定的，并且灯个数较少的LED陈列。
��在飞利浦开发的另外一个高档次的LED驱动电路系列的产品中，引入了电压或电流反馈控制环节。用户可以根据需要改变负载LED阵列形式和LED个数，得到不同的输出功率。同时该驱动电路也克服了因输入电压，环境温度等因素而LED灯光的颜色易变动等弊端，功率因数达到0.9以上，THD可做到20%以下，寿命可达到50000小时以上，同时还可完成从100%到1%的调光功能，并且此系列产品还具备过压和过流保护功能。
��其结构框图如图3所示：
��LED驱动电路主体结构采用flyback拓扑结构，Mosfet的通断由控制IC控制。这种结构在完成向负载提供直流电压的同时，既实现了功率因数的校正，又完成了负载与电源的隔离。
LED驱动电路的另一个任务是使LED的负载电流能够在各种因素的影响下都能控制在预先设计的水平上。电路将一个基准电压或电流信号Sref与LED负载电压或电流信号Sload送入信号控制模块中进行比较，误差信号经处理后送回初级控制IC中进行处理，当负载电流因各种因素而产生变化时，初级控制IC可以通过控制开关使负载电流回到初始设计值上。
��4． LED数字RGB混合控制系统
��为了进一步开拓LED的应用领域，飞利浦近期研发成功了一种针对LED的数字控制系统，使用户能够在很大范围内对LED的亮度，颜色和色调进行任意调节，获得了很大的成功。
��大日常生活中，照明的颜色，色调，亮度和方向都会极大地影响氛围和人的情绪，看书时你也许需要光亮一点，看电视时则希望光暗一些，而如果想开一个聚会，那您可能希望用红色并柔和的光来渲染节日的气氛。近年来不同颜色LED的不断研发成功使这种需求有了实现的可能，而飞利浦LED数字RGB混合控制系统的研发成功则使这种可能转化为了现实。当然，这种系统也可用于LED的背光照明系统，这样您就可以根据您的需要任意改变LED的背景颜色，色调和亮度。
��飞利浦研发的LED数字RGB控制系统通过调配红、绿、蓝三种LED发出光的强度，在一定温度范围内和在LED整个寿命周期内都能达到不同亮度不同颜色不同色调的光输出。利用光电二极管对三种颜色的光进行采样，然后利用DSP及控制算法完成对三种光的混合从而最终达到对光的强度，颜色和色调的控制。三个光电二极管分别对三种颜色进行采样，并转化为电信号，经放大滤波后分别进入三个PWM转换器，DSP对三个采样信号进行软件处理后通过对PWM的调节控制以达到对流经三个LED电流的控制，进而完成对光最终的强度，颜色和色调的控制。
��本系统克服了LED因批量性能容差，环境温度等因素而产生的性能偏差，通过精确的软件控制，在任意情形下都能达到稳定的，高质量的，颜色，色调和亮度都可随意调控的光。并且在本系统中也设计了友好的人界面，使用户能够对控制参数任意设定，从而能自如地使用这种人性化的照明系统。
LED大屏幕的恒流驱动
发布时间：2004-9-4
用白色LED为显示器或其他照明设备作背光源时，需要对其进行恒流驱动，主要原因是：
LED正向导通电压的典型值3.0V~4.0V，驱动电流为20mA。如果只是用一个固定的正向电压驱动LED，可能会产生变化范围较大的正向电流。图1给出了6个随机的白色LED的正向电流随正向电压的变化关系曲线，如果用3.4V驱动这6只LED，相应的正向电流差别较大：10mA~44mA，取决于具体的LED特性曲线。
为保证可靠性，驱动LED的电流必须低于LED额定值的要求，典型最大值一般为30mA，但是，从图2可以看出：当环境温度升高时所允许的额定电流会降低，例如，当温度达到50℃时电流需限制在20mA以内。通过观察图1、图2不难得出这样的结论：只是用恒压方式驱动白色LED的方案可靠性较差。另外，用恒定电流驱动白色LED还可以获得亮度和色度的一致性。
图3给出了几种通用的白色LED驱动电路，图4是对应的、用图1所示6只LED进行测试时得到的电流调节精度。图4中调节器的输出负载曲线画在LED Vf曲线图上，两条曲线的交点是各个LED的调节工作点。
图3a所示电路用稳压源配合镇流电阻控制LED的电流，这种结构的优点是选择电压源的余地很大，调节器与LED之间只需要一个连接端点；缺点是效率较低，这主要是镇流电阻的损耗造成的，另外，它对LED正向电流的控制不是很精确。从图4a测试曲线可以看出6只不同LED的电流变化范围是：14.2mA~18.4mA，由厂商A提供的LED平均亮度要比厂商B提供的LED高2mA。
图3b所示电路用于调节LED的总电流，镇流电阻用于实现各LED之间的匹配。MAX1910采用的就是这种结构，这种电路在驱动同一厂商提供的同一批次的产品时可以获得较好的效果，图3b中可以采用阻值较小的镇流电阻，这样，与图3a相比，当控制电流相同时可减小电流损耗。 图4b给出了不同LED驱动电流的变化情况，各LED平均控制电流相同：17.5mA，从图4b可以看出：电流变化范围在15.4mA~19.6mA，这种结构的缺陷是镇流电阻耗电较大，而且，各LED电流的匹配性不是很好。但与图3a相比，这种电路折衷考虑了性能和电路的简易程度，适用于一些对成本要求较高的低端产品。
图3c可分别调节各LED的电流，无需镇流电阻。电流调节精度和匹配度取决于每个独立的电流调节器，MAX1570采用了这种电流源结构，电流精度为2% 、匹配度达0.3% 。由于电流调节器允许较低的压差，可以获得较高的效率。图4c表明所有被测试的6只白色LED电流均保持在稳定的17.5mA，由于省去了镇流电阻，可有效节省线路板面积，但在调节器与LED之间需要四个连接端。这种电路能够提供较高的性能指标，是基于电感结构的竞争方案。
图3d是一种基于电感的升压电路，将其配置为电流调节器，转换效率较高。较低的反馈门限进一步减小了检流电阻的功率消耗，另外，因为LED按照串联方式连接，任何工作条件下都能够使LED的亮度保持一致。电流精度取决于调节器反馈门限的精度，不受LED正向导通电压变化的影响。MAX1848和MAX1561是这种电流调节电路的两个典型范例，转换效率可以达到87% (3只串联LED)或84% (6只串联LED)。这种电路的另一个优点是在调节器与LED之间只需要两个连接端点，为用户的设计提供了一定的灵活性。但是，由于电路中采用了电感，与上述方案相比尺寸较大、成本较高、EMI辐射也较大。■
图3 白色LED通常有四种不同的驱动电路
图4 各个白色LED的正向电压(Vf)对调节电流精度的影响不同，取决于调节电路的结构
LED显示屏亮度和颜色的调整方法
发布时间：2004-9-5
LED显示屏亮度和颜色的调整方法
郭志友 范广涵 孙慧卿（华南师范大学）
介绍了双基色LED显示屏的扫描原理、扫描电路及其调整方法。分析了扫描电路驱动74HC595的技术参数及工作状态，给出了3个公司的74HC595的技术参数表，并对参数进行了分析。
关 键 词：LED显示屏；数据通讯；显示模块
1 引 言
目前，双基色发光二极管（LED）显示屏的生产制造数量比较多，其技术也相对成熟。各个企业制造的显示屏的结构、原理基本相似，有些专业生产显示多媒体卡，因此，提高显示屏的技术性能、降低成本是各个企业竞争的关键所在。现在，市场上销售的LED显示屏的价格基本相同，但是，不同的企业生产的显示屏的质量不同，其原因是多方面的，主要有：①LED显示模块的质量、亮度、亮度均匀性、封装等技术；②数据的通讯传送方式，抗干扰能力；③显示扫描电路电流的多点调整，控制每一点的电流。经过多点调整的显示屏不仅均匀性比较好，而且显示图像的亮度、颜色效果更好，专用显示扫描电路具有比较好的显示效果，但是价格相对较贵。
现在，市场上销售的LED显示屏是很多企业利用相同的设计技术、方法、显示模块生产的，但其性能差别比较大。颜色配比的不同，产生图像效果差别就很大；模块的扫描频率、工作电流既影响亮度，又涉及到使用寿命等问题。因此，正确地确定各项技术参数是制造显示屏的关键所在，也可以说是显示屏技术经验的体现。
2 显示扫描原理
各个企业制造的LED显示屏的控制结构有所不同，但是，显示屏的显示扫描电路基本相同。双基色LED显示屏的显示扫描电路如图1所示。在图1中，IC1、IC2是数据锁存器电路74HC595，分别锁存红色、绿色数据，它们的性能是：①串行输入8位并行输出；②数据锁存、数据清除功能；③输出具有比较强的驱动能力。电阻RPB1、RPB2是限流电阻，根据颜色和模块的亮度来选择他们的数值。ML1是双色LED显示模块，共有8行X8列＝64个LED，其中，8个引脚是红色信号输入端，8个引脚是绿色信号输入端，8个引脚是行控制输入端，共有24个引脚。三极管 Q0，Q2，…Q7是行选通、驱动作用。IC3是3－8地址译码电路74HC138，8个选通输出端分别控制相应的行。图中电路是显示屏的原理电路，其数据传送方式是数据传送与行信号异步进行：首先，同时传送8位红、绿颜色数据到电路IC1、IC2并将数据锁存，然后再传送行控制信号点亮一行LED，接下来重复上述操作，只是行信号移至下一行，依次到第八行为止，即是一次完整的扫描过程。
显示扫描电路板的设计要求具有比较低的生产成本，因此，许多企业都设计成双面电路板，这样可以节省约三分之一的电路板成本。在显示模块的相应尺寸范围内，要安放上图中的全部元器件，其对应的双层印刷电路板编制具有较大难龋��裕桑茫钡缏诽乇鹗屎系阏笊�柙�淼模蹋牛南允灸？榈那��O允旧�璧缏范际遣捎么�蟹绞酱�褪�荩�庋�瓤梢越谑〉缏钒宓奈恢茫�质屎舷允酒劣爰扑慊��涞氖�荽�汀?br>
3 工作状态分析
显示扫描电路的原理是动态扫描方式，不能静态测量其工作电流，因此，要计算出工作电流，就要分析动态参数。图2是一个LED的工作电路图。电路中Q8是驱动电路，正端接电源，控制端接74HC138的输出，输出端接LED发光二极管D，与限流电阻连接，电阻接74HC595的数据输出端。LED的点亮方式是：控制74HC138的片选信号无效，为不选通，之后74HC595输出电平，低电平为点亮信号，再选通74HC138，控制输出选通信号，此时，有电流I0从Q8输出，流过D、R1后，进入74HC595的数据输出端。
在图中，Vab是加在LED上的电压，红、绿色高亮度发光二极管的压降均约2～3V，Vbc是加在限流电阻两端上的电压，通过调节限流电阻的数值，就可以改变电路的工作电流I0，当电阻R1＝0时，电路依靠74HC595的输出有源电阻作为限流电阻。
在扫描电路中可以看出，电路结构比较简单，合理地调整各个部分工作参数就能够使电路工作在最佳状态。在选择电路时，还要准确掌握各个公司电路的性能，以及之间的技术参数的差别。不同型号的器件技术参数也有所区别，表1是74HC595的技术参数，表中给出了Texas Instru－ments，ST，PhiliPs公司的74HC595的技术参数。在表中可以看出不同的公司生产的电路略有不同，因此，一块显示屏尽量要使用同一公司的电路器件，以免由于参数的差别影响显示屏的显示效果。
在表1中，Iik为输入尖峰脉冲电流，Iok为输出尖峰脉冲电流，I0为连续输出电流，Vcc为最高供电电压，fmax表示在25℃时的最大工作频率（随着负载电容的不同，工作频率也不同），ta为工作温度。表中元件SN74HC595、M74HC595、74HC595对应公司是Texas Instruments，ST，Philips。
4 亮度和颜色的调整
4.1 亮度和颜色的调整
制造大屏幕时，首先要按照亮度指标选择LED或者显示模块，其次是根据选择的产品红、绿、蓝颜色的亮度比来确定哪一种颜色为基准，一般是将亮度比例低的一种作为亮度基准，当基准的一种已经达到最大亮度时，调整另外一种（双色）或两种（全彩）。显示屏幕是双色时，大多数情况下以绿色为基准，调整红色二极管的工作电流。一般是降低工作电流，以平衡颜色黄色为调整标准，这样就要减小整个显示屏幕的亮度。显示屏的颜色调整至最佳平衡状态，则会使屏的亮度降低。如果显示屏幕为了达到亮度要求，将每一种颜色都达到最大的亮度，那么就失去了颜色的平衡，例如：双色屏幕的黄颜色偏红，或者偏绿。
TTL输出低电平约为0．4V，若作灌电流输入，正常的最大灌入电流为35mA，当超过此电流时，输出低电平升高，随着电流的增加，输出低电平不断升高，即有输出电压大于0．4V电路仍工作正常。在显示扫描电路中，工作电流为20mA可以满足控制红色的要求，因为红色LED的亮度比较高；绿色LED的工作电流要高于20mA，电流约在30～50mA之间，此时，74HC595的输出电压也要增加，其原因是74HC595有输出电阻，而且是非线性变化。
4.2 扫描频率调整
扫描电路以动态扫描、静态驱动的方式工作。显示屏的扫描频率受到显示模块结构的限制，每个模块有8×8个LED，整个显示屏模块的行数据全部串联，更新一次数据时间比较长，当扫描频率为100Hz时，整屏的亮度就会降低。若降低屏的扫描频率，显示亮度降低。实验证明，描扫频率与颜色的关系比较小。
5 结论
经过对双色LED显示屏的设计和分析，有效地调整了电路的技术参数，得到比较好的显示效果。事实证明，合理地分析电路的技术特性，使电路处于最佳的工作状态，将能达到理想的显示效果。选择不同公司的74HC595电路，显示效果有区别，在一块显示屏中，尽量要选择相同的电路，避免由电路参数不同影响显示效果。
显示屏的设计和制造的重要条件是生产成本，因此，在选择元器件的过程中，在满足要求的情况下，选择价格低的。在本文的技术设计和分析的基础上，将显示屏的电路调节到最佳效果，制造出性能／价格比高的显示屏，具有市场竞争力。
参考资料：www.ledzx.com