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LED顯示屏的灰階度
灰階度就是顯示屏上每一顆LED亮度的分辨率，舉例來說，4bit灰階度表示LED有16階的亮度變化。而LED驅動芯片的灰階度控制，實行方式如圖1所示。LED亮度的灰階度是由驅動芯片上的OE寬度與SDI來控制，以圖1中的第一個LED要顯示的灰階度5為例，SDI必須在OE寬度為1和4打開輸出開關，以得到整體的LED顯示灰階度為5。而灰階度為9、4與11則以此類推，以不同的SDI和OE寬度的排列組合得到不同的LED灰階度，也就會顯示出不同的LED亮度變化。除此之外，OE的單位寬度愈短，完成一個灰階度變化的周期也就愈短，也就是單位時間內，所能得到的刷新率也就愈高。
最短OE脈寬與高刷新率的關系
驅動芯片中OE的最短脈沖寬度及反應時間(tr/tf)決定了灰階度的高低，所謂最短OE脈寬就是在能夠維持所有信道輸出電流線性度的條件下，OE可打開的有效寬度。愈小的OE脈寬，就能產出愈高的輸出色階，也就是擁有愈快速的輸出電流響應，刷新率及輸出灰階度也就愈高。其中刷新率與輸出灰階度與OE最短脈沖寬度、系統數據傳輸速度、串接芯片個數與芯片輸出信道數有關，如圖2如示，列出參考公式如下:
Frefresh : 刷新率(Hz)
根據上列參考公式，如果單一控制器有8個輸出口，帶截面積為64×64單色屏，所需要的串接芯片個數NIC=32，輸出灰階度設為12位(4,096級)，如果采用具備16個輸出信道、數據傳輸速度為20MHz和OE最短脈沖寬度為300ns的驅動芯片，代入計算可得到刷新率有723Hz，但如果輸出灰階度想提高為14位(4,096級)，刷新率則是下降至196Hz，如果輸出灰階度想提高到16位(65,536級)，刷新率則僅有50Hz，而一般系統輸入的畫面更新率至少60Hz，因此如此低的刷新率已無法供應一般顯示屏系統的需求。
在上述情況中，如果想提高輸出灰階度，同時又想提高刷新率，可以選擇較小OE脈沖寬度的驅動芯片。如果采用OE最短脈沖寬度為50ns的芯片，即使數據傳輸速度為10MHz，輸出灰階度提高為16位(65,536級)，刷新率仍可輸出287Hz，在輸出灰階度設為14位(4,096級)時，刷新率可提升到1001Hz，在輸出灰階度設回為12位(4,096級)時，刷新率更可大幅提高到1,953Hz。所以愈小的OE脈沖寬度，可提升輸出的色階和畫面的刷新率，高輸出色階則提供了更豐富多彩的LED顯示屏圖像，而高刷新率提供了LED顯示屏流暢無閃爍的畫面播放。
最短OE脈寬對輸出電流突波的影響
圖3 較大0E脈沖寬度的輸出電流波形
OE脈沖寬度的大小是影響輸出電流突波的關鍵因素，如圖3所示，OE脈沖寬度大于500ns時，輸出電流的上升時間為37.99ns，并無產生任何突波。不過如果想要得到較高輸出的色階和較快的畫面刷新率必須降低OE脈沖寬度，但較小的OE脈沖寬度需要較快的上升/下降時間(tr/tf)來維持脈沖寬度的完整性，但較快的tr/tf會使得一般LED驅動芯片的輸出電流產生突波，如圖4所示，OE脈沖寬度小于100ns時，輸出電流的上升時間為8.2ns，由法拉第定律知VL=L(dI/dt)，可明顯地可以看出輸出電流在關閉時產生嚴重的突波現象，而輸出電流的突波不僅可能擊穿驅動芯片的輸出信道，造成芯片的損壞，也使得整個LED顯示屏電磁波干擾的現象變得嚴重，顯示屏畫面會產生抖動甚至是系統的毀損。
圖4 較小OE脈沖寬度產生嚴重突波
電流突波的改善
想要改善上述LED驅動芯片輸出電流的突波，可以通過降低輸出信道的開關速度，以及錯開輸出通道間的開關時間這兩種設計方式來進行。所謂輸出信道的開關速度，也就是控制輸出通道的Slew-rate，輸出電流的上升/下降時間(tr/tf)愈長，輸出電流上升/下降的波形就愈平緩，也就愈能抑制電流突波的現象，降低電磁波干擾。但tr/tf過大會產生扭曲的波形，影響輸出電流的反應速度，所以LED驅動芯片必須有能力在輸出信道的開關速度tr/tf和電流突波之間取得一個最佳的平衡。
另外，錯開輸出通道間的開關時間也可以改善LED驅動芯片的輸出電流突波，也就是藉由輸出通道不在同一瞬間開啟與關閉來降低電源在線的瞬間電流。如圖5所示，左側的4個輸出通道OUT0~OUT3在同一瞬間同時開啟，結果造成一個很大的突波電流，反觀右側的4個通道分別錯開輸出，電源在線的瞬間電流被平均分散，降低了尖峰電流，也改善了輸出電流的突波和電磁波干擾的問題，而圖6為聚積LED驅動芯片的實際測量錯開輸出通道間的開關時間波型圖，輸出通道依次先后開啟，相鄰兩通道大約有15ns的延遲時間。
圖5 錯開輸出通道間的開關時間
高端顯示屏的需求
要達到高檔顯示屏的需求，除了要有高的刷新率，使LED顯示屏能流暢無閃爍地播放畫面，也需要具備高輸出色階的能力，來達到更豐富多彩的LED顯示屏圖像。上述兩者需求可以通過選擇具有較短OE脈沖寬度的LED驅動器來提高刷新率及輸出色階，但使用外部的灰階度控制還是會受到系統傳輸速度和頻寬限制的影響，而降低刷新率與輸出色階。另一種選擇則是通過內建PWM控制的LED驅動芯片，則可以較小的數據傳輸量來提高傳輸速度，達到提升刷新率與輸出色階的效果。具有較短OE脈沖寬度的LED驅動器，可參考聚積科技的MBI5036，而內建PWM控制的LED驅動芯片，則可參考聚積科技的MBI5042。
圖6 聚集LED驅動芯片實際量測錯開輸出通道間的開關時間波形圖
參考文獻：
[1] 聚積科技MBI5036 Preliminary Datasheet V2.00
[2] 聚積科技MBI5042 Preliminary Datasheet V1.00
[3] 聚積科技MBI5040 Preliminary Datasheet
[4]LED屏幕驅動技術中的奧秘: 交流響應[OL].
[5] LED點陣顯示屏的特點及掃描驅動方案[OL].
作者：臺灣聚積科技股份有限公司 技術市場部 產品企劃工程師 林信宏
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