【中國數(shù)字視聽網(wǎng)訊】基于LED的標(biāo)牌和矩陣顯示屏為不斷增長的室內(nèi)外應(yīng)用帶來了更多的功能以及絢麗奪目的視覺效果。LED技術(shù)的最新發(fā)展使人們很難分辨出自己看到的到底是其高質(zhì)量顯示屏的靜止畫面，還是傳統(tǒng)的打印或繪制廣告牌。本教程將詳細(xì)介紹LED顯示屏系統(tǒng)的基本技術(shù)原理，以及使用分立LED燈泡陣列設(shè)計它們需要考慮的設(shè)計問題。

LED 驅(qū)動基礎(chǔ)

首先，我們要對比不同的LED驅(qū)動電路，以確定最佳方案。

連接電壓源

眾所周知，LED 燈(或二極管)在具有足夠正向電壓(VF)時開始導(dǎo)通。導(dǎo)通時其正向電流通常會發(fā)光。根據(jù)這個基本知識可以得出圖1a中的第一種選項，不過這樣行不通。因為 LED 電流是其電壓偏置的指數(shù)函數(shù)(公式1)，LED 燈的光強(qiáng)度對該電壓非常敏感。大多數(shù)情況下，大電流條件通常會將原本長壽命的LED變成昂貴的閃光燈泡。

下面是圖1a行不通的原因所在。在公式1中，IS、RS是常數(shù)，取決于LED產(chǎn)品本身，與VT是熱電壓無關(guān)。假設(shè)串聯(lián)電阻RS是理想值零，那么僅0.1V的VF變化就會產(chǎn)生47倍的ILED差異。

例如，20mA的目標(biāo)LED電流值在其偏置電流出現(xiàn)僅0.1V的差異時就會跳變至1A。即使考慮實際RS值，真實LED器件在具有0.1V偏置差異時仍會出現(xiàn)10至20倍的差異。

圖 1.對比三種LED驅(qū)動電路

支持流限電阻器的電壓源

現(xiàn)在我們來看看圖1b。添加一個限流電阻器RLIMIT來保護(hù)LED燈。由于有限流電阻器，因此該燈不會被燒壞。在視頻顯示器應(yīng)用領(lǐng)域，這種方法在控制LED光強(qiáng)度方面仍然不夠好。LED曲線和RLIMIT產(chǎn)生的負(fù)載曲線可決定其LED電流值。如紅色或藍(lán)色標(biāo)記所示，該LED和電阻器分別存在制造誤差造成的正向電壓變化及電阻變化。這些誤差因素會使LED電流(綠)產(chǎn)生不可忽視的變化。

恒流源

圖1c采用恒流電路而非電阻器。該恒流驅(qū)動器電路可直接將LED電流調(diào)節(jié)為目標(biāo)值。無論LED燈在制造過程中會產(chǎn)生多少VF變化，LED都會傳導(dǎo)特定的電流值。LED燈的光強(qiáng)度與通過 PN 結(jié)點的電荷緊密相關(guān)，因此該恒流驅(qū)動器是從LED燈獲得統(tǒng)一光輸出的理想方法。

此外，我們都知道集成電路(IC)可提供良好的匹配電路對。這也是選擇恒流法的另一個優(yōu)勢。圖2是LED驅(qū)動器的基本輸出級結(jié)構(gòu)。市場上很多LED驅(qū)動器IC都有參考電流設(shè)置端 IREF,該參考電流是鏡像到其輸出端的恒流。

圖 2. LED 驅(qū)動器IC的基本輸出配置

圖2是該討論的結(jié)果，即LED驅(qū)動器的基本輸出電路配置。

色彩驅(qū)動

到目前為止，我們已經(jīng)能夠確定如何驅(qū)動單個LED燈了。下一步是為視頻顯示系統(tǒng)實現(xiàn)全色彩光輸出。通過組合光的不同深淺紅綠藍(lán)三原色(RGB)，任何色彩都可生成。較為熟悉的示例是采用個人計算機(jī)(PC)上的色彩選擇工具。

數(shù)字或模擬的灰階控制

PC 操作系統(tǒng)將三種色彩混合為256個色階(每階8個二進(jìn)制位)或更多，以顯示全彩色像素。對于LED顯示系統(tǒng)而言，也需要采用相同概念的色階色彩強(qiáng)度控制，以便在LED驅(qū)動器設(shè)計中實現(xiàn)色階控制或灰階控制。

首先應(yīng)決定使用數(shù)字控制還是模擬控制。前面已經(jīng)介紹過，經(jīng)過 PN 結(jié)點的總電荷數(shù)可決定光強(qiáng)度，因此數(shù)字和模擬方法均可控制光強(qiáng)度。圖3是數(shù)字和模擬法中的50%灰階控制。在總體256個色階的示例中，該50%表明了一個有128個灰階的目標(biāo)。

圖 3.數(shù)字和模擬的50%強(qiáng)度控制

LED 電流與色彩變化

這時候，需要考慮電流變化對LED光輸出波長值的影響。改變波長就意味著改變?nèi)搜劭吹降纳省D4是綠色LED燈的實例。通常在業(yè)界，510nm 廣泛代表綠色。因此，大部分LED燈制造商所設(shè)計的LED燈產(chǎn)品在最大額定電流下都具備510nm的波長。在圖4中，隨著LED電流的升高，波長可達(dá)到510nm。獲得綠色的最佳方法是盡量使燈的驅(qū)動電流接近最大額定值。這也就說明了為什么使用數(shù)字控制比使用模擬控制好。

選擇數(shù)字控制的另一個優(yōu)勢是便于以數(shù)字電路模塊的形式對LED驅(qū)動器IC實施控制。對于256階的灰階控制而言，數(shù)字控制的成本比模擬控制低。

圖 4.綠色LED電流與波長實例

這種ON/OFF 數(shù)字控制稱之為脈寬調(diào)制(PWM)控制，或者PWM調(diào)光。現(xiàn)將PWM控制開關(guān)添加至圖2。