馮 奕，邢向明，周 楊

（中科芯集成電路有限公司，江蘇無錫 214072）

1 引言

近年來，隨著LED顯示屏技術的不斷發(fā)展，市場需求量不斷增大，LED 大屏幕已經(jīng)在商場、火車站等公共場所隨處可見，用于顯示圖片、文字、視頻等信息[1]。

LED顯示屏是由發(fā)光二極管和顯示驅(qū)動芯片組成的大尺寸平板顯示器件。顯示驅(qū)動芯片用于接收來自系統(tǒng)的數(shù)字圖像信息，驅(qū)動顯示屏上的二極管點亮，實現(xiàn)圖像或視頻等的顯示，故而顯示驅(qū)動芯片對顯示屏的顯示效果有著決定性的作用。分辨率上，對于一般的LED顯示屏來說，由紅綠藍三個LED 組合成一個像素，兩個像素之間的距離即LED顯示屏在單位面積下的分辨率。目前，對于間距小于2.5 mm 的LED顯示屏，業(yè)內(nèi)普遍稱之為小間距LED顯示屏。對于此類小間距顯示屏，由于像素數(shù)量很多，而驅(qū)動電路板面積有限，所以必須采用一顆芯片驅(qū)動多行的設計，稱之為多行掃LED 驅(qū)動。

多行掃的設計減少了所需驅(qū)動芯片的數(shù)量，節(jié)約了成本，但該設計也會帶來許多問題。首先帶來的便是刷新率下降的問題[2]。刷新率是一塊顯示屏上所有像素點被點亮一次所需時間的倒數(shù)，而多行掃意味著每一行的LED 都要依次顯示，行數(shù)越多，刷新率就越低。因此，多行掃設計要做到高刷新率就必須提高工作頻率[3]。除了刷新率的問題之外，多行掃的小間距顯示屏還有許多顯示效果上的問題，其中就包括了白平衡偏色和首行偏暗。如今，市場對小間距LED顯示屏的顯示效果要求越來越高，該問題對最終顯示效果至關重要。

本文針對白平衡偏色和首行偏暗兩大問題，設計了一種可以同時解決以上兩種問題的電路。該電路采用多級可調(diào)的補償辦法，補償電路結構簡單、面積小、精度高、適用性廣泛。

2 問題的成因

2.1 白平衡偏色

白平衡偏色即顯示低灰圖像時，紅綠藍三色中紅色二極管的導通電流相較于綠藍兩色二極管偏大，所以整體圖像會偏紅導致白平衡偏色。所謂低灰圖像就是LED 導通時間遠小于關斷時間情況下的圖像，表現(xiàn)為淺綠、淺藍、淺紅等。

在低灰圖像中，尤其是在高行掃高刷新率的情況下，LED 導通時間非常短，往往只有幾百納秒甚至幾十納秒。在這種導通時間下，不同顏色LED 上的寄生電容大小對導通時間的影響就變得極其顯著[4]。更糟糕的是，由于工藝的波動，相同批次相同顏色的LED，其寄生電容本身也會有較大的波動。

低灰圖像中需要對藍色和綠色進行補償。補償方式是對綠藍兩種顏色的二極管在低灰圖像下的導通時間都給以一定程度的加長，減小色偏的程度。由于綠藍兩色在低灰圖像下有不同程度的色偏，所以需要的補償程度不同，其中綠色補償程度稍大，藍色補償程度稍小，紅綠藍三種二極管在方波驅(qū)動信號下的導通電流差異如圖1 所示，可以看出紅色二極管的導通電流與驅(qū)動信號相比于綠藍兩色二極管延遲最小，其次為藍色，綠色差異最大。

圖1 紅綠藍二極管導通電流對比

2.2 首行偏暗

首行偏暗即多行掃第一行的LED 在顯示效果上會比其余行偏暗。二極管所在PCB 板上的布線之間會產(chǎn)生寄生電容，由于如今LED顯示面板在往小點間距的道路上不斷發(fā)展，PCB 走線間的距離越來越小，導致了板級寄生電容越來越大，同時LED 本身也有一定的寄生電容，所以寄生效應會非常明顯[5]。寄生電容所在位置如圖2 所示。

圖2 寄生電容所在位置

當?shù)谝淮嗡行袙呓Y束后，由于每一行二極管導通時都會對列上的寄生電容充電，所以當?shù)诙涡袙唛_始時，第一行二極管上的壓降Vrow－Vcolumn會比正常值低，第一行顯示結束后，列寄生電容上的電荷釋放，第二行之后的二極管上壓降Vrow－Vcolumn恢復到正常值，所以第一行相對于其他行顯示效果就會偏暗，首行偏暗現(xiàn)象如圖3 所示。

圖3 首行偏暗現(xiàn)象

為了改善首行偏暗的問題，本文提出了兩種解決辦法。第一種是在第一行點亮前將列寄生電容上的電荷釋放，使列電壓Vcolumn降低，這樣第一行上的二極管壓降Vrow－Vcolumn就不會偏低，導通電流也恢復正常。第二種辦法是對第一行的二極管導通時間進行補償，增加第一行二極管的導通時間，這樣也可以提高圖像的亮度，視覺上首行也不會偏暗[6]?？紤]到第一種辦法需要增加額外的泄放電路，增加了電路的復雜度，擴大了版圖的面積，而第二種辦法可以與低灰補償結合在同一個電路上，通過不同的控制信號加以區(qū)分，無需額外設計電路，所以綜上選擇第二種辦法[7]。

3 電路結構

根據(jù)第2 節(jié)的分析，對白平衡偏色和首行偏暗的補償電路可以由同一個電路來實現(xiàn)，要求該電路可以將兩種不同的補償區(qū)分開來，具有補償?shù)燃壙烧{(diào)的功能，補償可調(diào)電路由一個MOS 管陣列提供。為滿足以上需求，所設計的電路由補償電路和提供補償所需參考電壓的MOS 開關選通陣列組成[8]，補償電路如圖4所示，MOS 開關選通陣列如圖5 所示。

圖4 補償電路

圖5 MOS 開關選通陣列

在補償電路中，PWM 為待補償?shù)腖ED 驅(qū)動信號，EN1定義為白平衡的使能信號，用于調(diào)節(jié)所有非首行的白平衡，EN2定義為首行偏暗的使能信號，控制所有情況下的首行偏暗調(diào)節(jié)，包括低灰條件下的首行。VREF1和VREF2分別代表EN1和EN2兩種補償?shù)膮⒖茧妷骸?/p>

提供EN1和EN2補償?shù)燃壍碾妷盒盘栍梢粋€電阻和MOS 管組成陣列產(chǎn)生，每一個電阻阻值都相同，總計32 個電阻提供了32 種參考電平，VREF2可輸出最低值到中間值的16 種電平之一，由Reg1<3:0>控制，當Reg1=0000 時，輸出中間電壓，當Reg1=1111 時，輸出最低電壓。VREF2可輸出最低值到最高值的32 種電平之一，由Reg1<8:4>控制，當Reg1=00000 時，輸出最高電壓，當Reg1=11111 時，輸出最低電壓?？刂扑惴ㄈ缦拢?/p>

首行偏暗由VREF2進行調(diào)節(jié)，但在低灰條件下還需加入VREF1的調(diào)節(jié)，因此將兩者原來的各4 位調(diào)節(jié)求和合并為一個5 位調(diào)節(jié)FST<4:0>，F(xiàn)ST<4:0>即計算后賦給控制信號Reg1<8:4>的值。由式（1）計算VREF2最終選擇最低電壓到中間電壓范圍內(nèi)的值，由式（2）計算VREF2最終選擇最低電壓到最高電壓范圍內(nèi)的值。

首行偏暗調(diào)節(jié)分為以下兩種情況：

1）當僅在非低灰情況下調(diào)節(jié)首行時

2）當在低灰條件下調(diào)節(jié)首行時

低灰情況下的非首行打開，仍然用VREF1的Reg1<3:0>進行調(diào)節(jié)。非低灰情況下的非首行不存在畫面偏色問題，無需對PWM 進行補償。

圖4 中邏輯門I1的真值如表1 所示。

表1 邏輯門I1 真值表

I2的電路結構如圖6 所示，該電路為一個基本的電流鏡結構。BIAS 可以由不同偏置電路給出，本文不多做介紹。當EN 信號為低時，電路不工作，無輸出電流。當EN 信號為高時，由PD 信號控制是否輸出電流，PD 為高則不輸出電流，PD 為低則對外輸出電流。

圖6 I2 電路結構

放大器采用基本的兩級放大結構。由于此處放大器起到比較作用，兩級放大可以提供足夠的增益；同時，考慮到PWM 信號頻率較低，對放大器的穩(wěn)定性要求不高，所以該放大器沒有加上補償電容。由于被補償?shù)氖荘WM 的低電平部分，所以需要在放大器的輸出端接反相器，反相器已經(jīng)整合在AMP 模塊當中[10]。

整體電路的工作邏輯如下：當EN1和EN2都為低時，EN 為低，Y2沒有輸出，PWM_OUT 跟隨PWM，也就是PWM 不做任何補償直接輸出。當EN1和EN2其中有一個為高時，EN 端為高，且當PWM 輸入為低時，則Y2輸出為低，MN1關閉，放大器的負端僅由C1和I2的輸出電流控制，使得放大器負端的電壓緩慢升高，直到與參考電壓相等時，放大器的輸出轉(zhuǎn)換為低。當EN1和EN2其中有一個為高時，EN 端為高，且當PWM 輸入為高時，I2由于Y2為高被關閉，同時，MN1被打開，C1上的電荷通過MN1被泄放掉。參考電壓VREF1和VREF2分別由EN1和EN2控制輸入到放大器的正端。參考電壓越高，放大器的輸出轉(zhuǎn)換為低所需的時間越長，PWM_OUT 信號的低電平時間越長，換言之，提供了不同的補償時間。補償時間t 為：

其中RMP1和RMN1為兩個MOS 管的輸出電阻，電流源的輸出電阻較大可忽略。A 為放大器的增益，VREF為EN1和EN2選通的VREF1和VREF2。由于VREF1和VREF2為多檔可調(diào)，所以補償時間也相應可調(diào)。

4 結果驗證

4.1 白平衡補償結果

以下為使用ADE 的仿真結果和實物測試的顯示效果。在開啟白平衡補償后，PWM 驅(qū)動信號的低電平時間得到了加長，這樣就使得二極管的導通時間加長，導通電流的有效值增加，起到了對藍色和綠色二極管的補償效果。不同補償?shù)燃壪买?qū)動信號的脈寬，也就是LED 被點亮的時間如表2 所示，可以看出脈寬在補償?shù)燃墢?001 到1111 的遞進較為均勻，在0001時脈寬為545 ns，每增加一檔，脈寬時間減小大約為5 ns，在1111 檔時脈寬為465 ns?？梢愿鶕?jù)實際補償效果來確定補償?shù)燃墶D7 為開啟白平衡補償前后的效果對比圖，可以看出左邊顯示效果明顯偏紅，右側(cè)開啟后顯示效果較好。補償前后的開啟波形如圖8、9 所示，開啟時間被補償了約88 ns，與理論值的最大補償時間基本一致。

圖7 白平衡補償關閉（左）和開啟（右）

圖8 補償前的開啟波形

表2 不同補償?shù)燃壪买?qū)動信號的脈寬

圖9 補償后的開啟波形

4.2 首行偏暗補償結果

實際的顯示效果如圖10 所示，可以看出開啟首行偏暗補償后，LED顯示面板上已經(jīng)沒有首行比其他行更暗的顯示問題了。

圖10 首行偏暗補償效果

5 總結

本文介紹了一種可以同時解決白平衡偏色和首行偏暗問題的電路，并且該電路對這兩種問題的補償效果是多等級可調(diào)的。仿真驗證和實際顯示效果證明了該電路是切實有效的。同時，該電路結構十分簡潔，成本低，適合絕大部分的多行掃設計LED 驅(qū)動。