基于PWM的LED显示屏像素亮度控制方法
邓宏贵,梅卫平,曹文晖,敖邦乾
(中南大学物理科学与技术学院,长沙410083)
摘 要:提出了通过综合控制发光二极管(LED)驱动芯片输出信号和全局使能信号的脉冲宽度调制(PWM)波形来控制显示屏像素亮度的方法。在基于二进制位权重PWM的基础上,分别研究了直接输出和全局使能控制LED屏像素亮度时,灰度级数与刷新频率和发光效率的关系。研究结果表明,随着灰度级数的增加,采用全局使能PWM方法控制的LED显示屏刷新频率要远远高于直接输出PWM,但全局使能PWM会带来发光效率降低的问题。采用直接输出和全局使能综合PWM的方法,并根据实际情况合理选择二者比例,可很好的兼顾显示屏刷新频率、灰度等级和发光效率,最大限度提高显示质量,增强显示效果。
关键词:全局使能;脉冲宽度调制;发光二极管;显示屏;亮度控制
引 言
近年来,LED显示屏以其寿命长、视角大、亮度高、色彩鲜艳等特点而在近年来得到了迅速的发展[1-2],特别是基于红、绿、蓝三基色的彩色LED显示屏成为显示屏市场近年增长幅度比较大的产品。LED像素亮度的精确控制,对提高显示屏色彩还原性、增强显示效果至关重要[3]。
LED发光强度正比于流过它的电流强度,普遍采用PWM方法通过调节LED平均电流脉冲宽度来实现LED亮度调节[4-5]。二进制位权重PWM[6]根据灰度值的二进制位的值和它的权重来决定PWM脉冲波形,不仅简化了系统设计,而且有效分散了瞬间电流冲击,减小了EMI问题,得到了广泛的应用。
针对LED显示屏在采用普通直接输出PWM方式进行亮度控制时,随着灰度级数增大导致的刷新频率过低的问题,提出了基于全局使能信号的PWM控制方法,通过控制全局使能信号来直接控制LED通断,大大缩短了LED闪烁一次的最短时间,从而提高了显示屏灰度等级和刷新频率。针对全局使能PWM带来的效率降低问题,提出了直接输出PWM和全局使能PWM综合控制的方法,根据实际需要适当选择二者比例,达到灰度等级、刷新频率和发光效率最佳搭配。
1 直接输出PWM亮度控制技术
为减小控制器复杂度和成本,目前LED显示都屏是采用串行方式控制[7]。LED驱动器典型结构如图1所示,串行数据在CLK信号的作用下从SDI输入,从SDO移出,LTD信号用于锁存移入的数据。驱动器输出电流IREF大小可通过外部电阻来进行调节。各恒流源均可通过一个OE信号来直接控制其通断。为降低线路复杂度,一般将多个LED驱动器级联使用,随着CLK时钟脉冲将显示数据从SDI逐个移入,直到级联的最后一个LED,然后通过LTD信号将各数据锁存于控制器各引脚输出,以直接控制连接于其上的各LED亮灭,然后继续移入下一组数据,如此反复循环。
bit0Sloadbit1bit2bit32Sload4Sload8SloadLED显示屏直接输出PWM灰度控制是通过反复控制移入数据的变化,使控制器各引脚产生PWM波形,通过PWM占空比来控制LED发光亮度。依次将灰度值的二进制位从低位到高位锁存于LED对应的引脚,而二进制位的权重决定该信号停留时间。如图2所示,最低位移入时停留时间最短,而停留时间最短为一次移入锁存Sload,次低位停留时间为2Sload,依此类推。
数据最短移入时间Sload与移位寄存器数量Nreg成正比,与移位时钟fclk成反比,可表示为:
Sload=1fclk?Nreg(1)
设LED显示屏为动态1/Nrow扫描,灰度级位数为nPWM,则由此计算出刷新频率frefr:
frefr=1Nrow?(2nPWM-1)?Sload(2)
由(1),(2)式可知,当移位时钟频率和显示屏规格一定时,刷新频率frefr随着PWM灰度级位数nPWM增大而成指数形式迅速减小,我们在提高显示屏灰度等级的同时,会导致显示屏刷新频率的过低,反过来影响显示效果。
2 全局使能PWM控制方法
将LED灰度值的各位每次移入停留时间均设为Sload,而该位的权重由OE信号的PWM波形决定,OE信号仍采用二进制位权重PWM方法,灰度值最低位OE使能时间最短。如图3所示,图像灰度二进制位的值控制驱动芯片输出引脚信号,而该位的权重控制OE信号的PWM占空比。
这种方法大大节省了控制器的移位停留时间,显示屏刷频率将与灰度级位数成反比关系:
frefr=1Nrow?nPWM?Sload(3)
由于OE根据灰度值的二进制权重进行导通和判断,因此,即使灰度值为最大时,即Bit0～Bit7全为1时,LED也不会始终导通,LED亮度达不到最大亮度而造成发光亮度损失,导致发光效率的降低。发光效率GPWM可表示为:
GPWM=2-12nPWM-1nPWM?100%(4)
表1列出了当移位时钟频率fclk=20MHz、移位寄存器数量Nreg=64、扫描方式为1/8扫描时,基于直接输出时和基于全局使能PWM控制时刷新频率和发光效率随灰度级位数的变化情况。
图4直观地反应了同一灰度级位数下,基于直接输出时和基于全局使能PWM控制时刷新频率的变化情况。
从表1可以看出,直接输出PWM控制时,随着灰度等级位数的增大,刷新频率迅速降低,特别是灰度级位数为8位以上时,刷新频率降到100Hz以下,虽然发光效率达到100%,但刷新频率较低而导致屏幕闪烁,难以满足应用要求。而采用全局使能PWM方法,刷新频率完全可达到各种应用要求[8],但随着灰度级位数的增加,发光效率又会明显降低。在8位灰度调制时,发光效率仅为24%,同样影响了最终显示效果。
3 直接输出和全局使能综合PWM亮度控制
采用直接输出PWM控制时,随着灰度级数的增加,刷新频率迅速减小,而采用全局使能PWM的方法,虽然可以大大提高刷新频率,但发光效率又会明显降低。采用直接输出和全局使能综合PWM的控制方法,可有效达到刷新频率和发光效率的兼顾。灰度值的低位采用全局使能PWM方法控制,高位采用直接输出方式来进行控制。改进的全局使能PWM控制法如图5所示。
设总灰度级位数为nPWM,其中全局使能控制位数为nOE,直接输出控制位数为nLTD,则:
nOE+nLTD=nPWM(5)
刷新频率和发光效率计算公式为:
frefr=1Nrow?(nOE+2nLTD-1)?Sload(6)
EPWM=2-12nOE-1+2nLTD-1nOE+2nLTD-1?100%(7)
假设总灰度级数nPWM=16,计算刷新频率和发光效率随nOE和nLTD取值的变化情况,见表2。
由表2可以看出,在总灰度级位数为16时,随着nOE和nLTD的取值变化,显示屏刷新频率迅速增大,发光效率却逐渐减小。当nOE=8,nLTD=8时,刷新频率可达149Hz,发光效率为97.72%,而nOE=9,nLTD=7时,刷新频率可达287Hz,发光效率为94.85%,nOE=10,nLTD=6时,刷新频率可达535Hz,发光效率为89.04%。
刷新频率的选择一般由CCF公式计算[9]:
CCF=alogLa+b(8)
这里,a,b为比例常数,对于室外显示屏a=12.5,室内显示屏a=1.5,b=37,La为显示屏最大发光强度,单位为cd/m2。对于室外屏,当LED发光强度为10000cd/m2时,显示屏刷新频率要求为100Hz以上。对某些特殊应用场合,人眼感观效果并不是决定性因素,因为经常需要采用摄像机对显示内容录像并广播,摄像机的感应频率要远大于人眼的感受频率,虽然可以调节摄像机扫描频率和显示屏刷新频率同步以消除图像闪烁,但这种方法并不能从根本解决问题,对于大型应用场合,显示屏刷新频率应达到400～1000Hz。因此,在实际应用中,应考虑在达到最小刷新频率的基础上,尽可能提高LED显示屏发光效率,以达到最佳显示效果。对一般室内应用,应选用nOE=8,nLTD=8时,刷新频率为149Hz,发光效率为97.72%,而大型室外显示屏,采用nOE=10,nLTD=6时,刷新频率可达535Hz,发光效率为89.04%,此时虽然亮度有所损失,但可通过提高LED最大发光强度的方法来增强显示效果。
4 结 论
LED显示屏采用直接输出PWM控制时,随着灰度级数的增加,刷新频率会快速减小,而采用全局使能PWM的方法,虽然可以大大提高刷新频率,但发光效率又会明显降低。直接输出和全局使能综合PWM控制方法,在稍微降低发光效率的情况下,极大地提高了显示屏刷新频率。当总灰度级位数为16位时,选择全局使能PWM控制位数nOE=9,直接输出PWM控制位数nLTD=7时,对于移位时钟频率fclk=20MHz、移位寄存器数量Nreg=64、扫描方式为1/8扫描的LED显示屏,采用直接输出和全局使能综合PWM控制显示屏像素亮度控制方法,刷新频率可达535Hz,发光效率为89.04%。这种方法在稍微降低发光效率的条件下,极大地提高了LED显示屏刷新频率,并简化了系统设计结构,有效降低了控制系统的EMI,可广泛应用于LED亮度控制领域。