LED螢幕驅動技術探討: 交流響應

LED驅動IC的交流響應特性經常被忽略,但卻是相當重要的一個特性。交流響應影響LED螢幕(LED顯示屏)的影像品質,如灰階、線性度、EMI、信賴性。雖然這些特性彼此間有取捨關係,但是好的驅動IC應該能夠在這些特性中取得較佳的平衡。本文將探討交流響應的重要性及LED驅動IC與電路板設計技術,以協助工程師設計出影像品質良好的顯示屏。 



最短OE脈波寬度及線性度

每個顏色超過1024個灰階已經成為LED全彩顯示屏的基本規格,為了表現更豐富的色彩,製造商們需要能夠表現更多灰階的驅動IC。而OE的最短脈波寬度及反應時間 (tr / tf) 決定了灰階數的多寡。但是許多驅動IC往往為了縮短OE脈波寬度而犧牲了線性度,所謂線性度就是輸入資料與輸出亮度間的關係。例如圖一中,的輸出電壓波形比OE脈波寬度還要來得短,其線性度關係如圖二所示。很明顯地可以看到,LED亮度與OE脈波寬度的設定不成正比,特別是在OE脈波寬度低於0.1us時,此時的線性度不佳。

Fig. 1 OE脈波寬度與輸出電壓波形之間的關係



Fig. 2 LED亮度與OE脈波寬度的關係

目前市面上對於最短OE脈波寬度有許多不同的定義。有IC製造商將輸出端可以反應的時間定義為最短OE脈波寬度,但僅僅這樣的定義會忽略掉對於線性度的影響。因此還是需要加以實際量測線性度才能確保IC可以表現足夠的灰階數。

抑制輸出突波

當LED驅動IC管腳關閉瞬間產生的電壓突波,經常導致IC損壞,這也影響了顯示屏的信賴性。此一電壓突波是來自於VLED 和 OUTn之間的寄生電感所產生的,在圖三及圖四中說明了此突波的實驗方式與結果。在此實驗中,我們刻意加入一個電感L1以模擬實際電路中的寄生電感,並勾取圖三中CH1~CH3三個節點上的電壓波形以示波器觀察,其波形如圖四所示。從圖示中可以看到在輸出管腳(CH3)上的電壓達到26.6V之高,遠高於驅動IC的耐壓(17V)。
 

Fig. 3 The circuit of overshoot experiment

 


Fig. 4 The waveforms of different nodes on PCB

突波的電壓值可以透過以下公式加以計算:
V = L x di / dt
V 是寄生電感所產生的突波電壓,L是寄生電感感值,di / dt 是切換瞬間的電流變化率。


有三種方式可以消除或抑制電壓突波,第一種方法是減少寄生電感,同時因為VLED線上的突波也會累積到VOUT上面,電源線與每個輸出管腳的線路必須儘可能地縮短。前述提到的均勻配置的分散式電容也可以減少VLED及VOUT的突波。

第二種方法是降低輸出管腳開關切換速度。由前述公式可知,切換速度(tr / tf)太快的驅動IC會導致突波過高,因此選擇切換速度適中且夠用的驅動IC即可。

第三種方法是將輸出突波加以分散,可以選擇輸出管腳間具有交錯時間遲滯功能的驅動IC,避免所有的輸出管腳同時切換,這種方法可以減少不同管腳間的突波透過電源線互相疊加而升高的問題。

結論
妥善選擇驅動IC並設計電路板線路可以幫助顯示屏製造商改善顯示屏的灰階與信賴性,一般的驅動IC產品其實可提供客戶兼顧反應速度與信賴性的平衡選擇,客戶可以依自己對於灰階的需求選擇合適的IC。
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