前言
現今LED顯示屏運用越來越廣，凡舉金融證券、體育、交通訊息、廣告傳遞等都可以看到它的足跡，也因為最近幾年LED成本下降及亮度的提升再加上LED顯示屏更具有耗電少、壽命長、視角大及響應速度快等優勢；而且可以根據不同地點及需求訂製相對應的尺寸，在市場上快速崛起成新一代的傳播媒體寵兒，其條件更是其他大型顯示設備無法比擬的。本文將進一步一一說明如何不變更電路設計，利用驅動晶片的快速響應優勢來實現高畫質的LED顯示屏。
整體速度的提升- 更高的刷新頻率與換幀頻率
LED是經由流過的電流來驅動的，而通過的脈衝寬度可以控制LED的亮度及灰度，簡單來說若不考慮系統端的設計，刷新頻率(refresh rate)是經由尋址時間(Tacc)及流過LED的電流速度所決定的；而換幀頻率(frame rate)的提高除了系統的的支持外更需要更快的尋址時間，而尋址時間與傳輸的時脈(DCLK)與尋址數有強烈的正相關。
例如：有一全彩戶外顯示屏其尋址數為768，若是使用不同的時脈則整體的尋址時間也會不同
工作時脈為10Mhz -> 768X0.1us = 76.8us
工作時脈為30Mhz-> 768X0.033us = 25.6us
而電流流過LED 的速度決定LED顯示屏的刷新頻率，舉例說明若一LED顯示屏其尋址數皆為768、工作時脈為30Mhz、灰階調整為8位元(bits)、亮度調整皆為2位元(bits)、每子場的間隔時間為4us；傳統驅動晶片其顯示的脈衝寬度為250ns，而SnapDrive驅動晶片的脈衝寬度為50ns，兩者可以達到的刷新頻率有明顯的差異
A.傳統驅動晶片(脈衝寬度為250ns)
權重安排為 1/64, 1/32, 1/16, 1/8, 1/4, 1/2 ,1 ,2 ,4 ,8, 16,32
Tfr=25.6usx[6+63]+5x4us = 1786.4us
Fr = 559.7Hz
B.SnapDrive驅動晶片(脈衝寬度為50ns)
權重安排為 1/512,1/256, 1/128, 1/64, 1/32, 1/16, 1/8, 1/4, 1/2 ,1 ,2 ,4
Tfr=25.6usx[9+7]+8x4us=441.6us
Fr=2264.5Hz
顯示灰階度提升
目前市場上一般通用的傳統驅動晶片其OE響應時間約為250ns ，若以上述的例子來看其最高的灰階為8位元；亦即R,G,B各有256個灰階度。其色彩為256X256X256 = 166777216 約1千六百萬色。若想將灰階度提高至14位元亦即16384X16384X16384=4.39千億色；兩者之間的刷新頻率亦會得到明顯的差異
A.傳統驅動晶片(脈衝寬度為250ns)
權重安排為 1/64, 1/32, 1/16, 1/8, 1/4, 1/2 ,1 ,2 ,4 ,8, 16 ,32 ,64, 128, 256, 512, 1024, 2048
Tfr=25.6usx[6+4095]+5x4us = 105005.6us
Fr = 9.5 Hz
B.SnapDrive驅動晶片(脈衝寬度為25ns)
權重安排為 1/1024, 1/512, 1/256, 1/128, 1/64, 1/32, 1/16, 1/8, 1/4, 1/2 ,1 ,2 ,4 ,8, 16, 32, 64, 128
Tfr=25.6usx[10+255]+9x4us=6820us
Fr=146.6Hz
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Improvement on Refresh Rate
@ 14-bit grayscale + 2-bit Brightness
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Improvement on Refresh Rate
@ 8-bit grayscale + 2-bit Brightness
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SnapDriveTM
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Conventional
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SnapDriveTM
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Conventional
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Color
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4.39x1012
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4.39x1012
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16.7x106
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16.7x106
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Refresh Rate
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146.6Hz
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9.5Hz
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2264.5Hz
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559.7Hz
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表1為傳統驅動晶片及SnapDriveTM驅動晶片綜合表現
以下為台灣迅杰科技推出包含SnapDriveTM技術之驅動晶片測試條件及結果，藉圖1及圖3可以明顯看出其驅動晶片在極小的OE脈衝寬度下其輸出電流仍為線性輸出，而傳統驅動晶片則無法提供線性的輸出。
測試條件：
Vcc=5V ,Iout=38.3mA,RL=47Ω,CL=13pF
圖1：OE脈衝寬度與輸出電流之曲線
圖2：傳統驅動晶片(非線性輸出) 圖3：SnapDriveTM之驅動晶片(線性輸出)
失真率的降低
針對不同的輸出電流斜率的驅動晶片，利用仿真軟體(HSPICE2007)我們在失真率方面我們得到不同的結果
失真率
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Distortion
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SnapDriveTMDriver IC
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1%
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Conventional Driver IC
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49%
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表2：失真率比較表
仿真條件：傳統驅動晶片： Ton:160ns, Tof:70ns
SnapDriveTM驅動晶片：Ton:15ns, Tof:15ns
Vin :5V , Iout=20mA , LED等效電路RL:52Ω,CL:10pf
OE 脈衝寬度為：250ns
圖4：輸出電流失真率
解決LED 熱的問題及增加LED的壽命
如圖5所示為50% Duty cycle的電流輸出示意圖，若在同一個時間內將出電流的脈衝平均打散，不但不影響輸出電流及LED的亮度也可以避免LED長時間的點亮造成LED過熱及壽命提早衰減的現象。
圖5：輸出電流示意圖
快速響應電路設計
使用快速響應的驅動晶片雖然可以提高LED顯示屏之灰階度及刷新頻率；不過根據電感效應的公式 ΔV= L •di/dt 因時間t變小；相對而言瞬間的電壓變大所以容易產生突波。筆者在此列上幾個電路設計上的改善方式供讀者參考：
ΔV ：電壓的變化量
L：電路上寄生之電感
di：對電流的微分
dt：對時間的微分
在電路設計上有幾點需要特別注意：
1.PCB最好是4層板以上，將電源及地獨立一層；走線部份越短越好。
2.VLED及VCC對地端加上一個大的穩壓電容，建議CP1及CP2為1000~1500uF。
3.VLED與VCC分開為不同電源。
4.可在時脈輸入端(Clock)加上RC電路，將其峰值降低，降低對電磁干擾的影響；建議Rt<22Ω、Ct<33pF。
圖6：驅動晶片串聯電路
掃描屏上；建議在MOS的Gate端與74HC138之間串一個電阻，以避免VLED端的電感效應及MOS端寄生電容所產生的突波，造成74HC138燒毀；建議Rg<100Ω、Cg<47pF(電容部份可選擇不加)。
E-mail: jeff_cheng@ene.com.tw
參考文獻：
[1] 李熹霖 現代顯示1006-6268(2004)01-0022-05 談LED大屏的刷新頻率和換幀頻率
[2] 王麗莉、董金明 LED全彩屏脈衝打散顯示方案 2006
