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小间距显示屏低亮高灰技术探讨

来源:数字音视工程网        编辑:胡燕    2018-04-24 14:16:36     加入收藏

LED小间距屏因其在显示效果上有着其他产品无可比拟的技术优势,市场需求逐渐增加,同时随着技术的不断革新,改进,其灯珠成本和制造成本逐年下降,已走下神坛...

  LED屏因小间距其在显示效果上有着其他产品无可比拟的技术优势,市场需求逐渐增加,同时随着技术的不断革新,改进,其灯珠成本和制造成本逐年下降,已走下神坛成为市场大众可接受产品,且随着应用的逐渐成熟和广泛,市场主流需求已经由当年的2.5mm变为1.25mm,0.9mm,而现在2.5mm像素间距的产品已经成为市场通用普及产品。但是市场的需求猛增,像素间距的逐渐变小,像素密度的成倍增加,精度的增加,密度的增加有赖于加工精度的提升,而被称之为LED小间距显示屏进入室内显示的门槛,低亮高灰则是少数厂家能够真正实现的,一个是本身的技术研发能力,例如对于灰度实现和LED驱动原理深入了解的人,一个是有着物料供货规格的要求能力,例如选择制定的LED BIN,制定批次的恒流驱动IC。

  为什么会称之门槛呢,将从室内应用和屏厂情况进行说明

  基于室内应用

  低亮

  传统室内显示产品,如LCD,DLP等,亮度在500nits附近,且为被动发光,而作为主动发光产品依照推算亮度则在300-500nits之间,这样人眼在长时间观看才不至于出现明显疲劳,特别是监控中心,指挥中心需要24小时观看的场所,亮度舒适,观感柔和成为产品选型的决定因素。

  LCD拼接屏 DLP拼接屏 LED 显示屏
亮度 700cd/m2 ≤500cd/m2 600cd/m2
发光形式 背光面板透射 光源被动投影 光源主动发光

  高灰

  高清信号源已经逐渐普及,屏幕显示效果的好坏,信号源一投即可辨别,所以光有低亮不行,在低亮情况下如何让高清画面高画质的显示,则需要显示屏具有较高的会阶显示能力,而不是画面一投,大面积的马赛克。

  室内显示屏,需要满足人眼长实际观看而不会出现眼疲劳,同时可以对高清画质的细节再现,特别是现在星光级摄像头的普及,星光照度下可否看的清,看的准,这就对显示屏的灰度细节要求很高。

  基于传统显示屏厂家

  低亮高灰对于显示屏厂家在2014年提出时还是一个新词,笔者从事显示屏研发工作10余数年,在未接触小间距时,处理更多的是在有限条件下如何做到更高的亮度,更高的刷新以及高刷后的鬼影问题,对于低亮度的处理则关注不多,而且由于传统屏观看距离远,以及其驱动电流足够大且观看距离远,灰阶的关注度没有小间距这么高,所以对于降低亮度更多是通过系统软件的手段来降低显示屏的亮度,只有接触了小间距后才需要思考降低亮度的情况如何保证灰阶的不损失,大家可以关注行业内某知名厂家其一代小间距1.667MM的亮度定义是1200nits,正式因为在亮度和灰阶无法整合时,选择牺牲亮度来获取灰阶效果,而我们现在很多2.5的产品则是通过系统手段来降低亮度,伴随这灰阶的损失。

  上面分析的室内显示低亮高灰的显示需求,以及室内显示屏在此上的短板,下面先讲述与低亮高灰相关的工作原理部分。

  1:显示屏中的LED是电流工作型器件,通过驱动芯片提供恒定电流进行点亮,电流与亮度有着直接的关系,所以LED工作电流的设定很关键,其实正式因为其电流型器件的特性,为什么在传统显示屏里面不是问题的地方到了小间距这里却是很麻烦的问题,归根到底就是LED驱动电流和驱动IC的线性工作电流,传统因亮度问题,会增加LED的工作电流来提升整体亮度,这样整个电路都工作在其合理的区间范围内,这也说明了为什么亮度要定到1200nits的原因。

  2:LED的灰阶是通过PWM(脉冲宽度调制)调节实现,所以当我们看到起辉级LED时,其内部工作机制是横流IC通道打开80ns,在一个扫描周期内LED在设定的电流下,点亮80ns.

  而当我们通过系统降低亮度时,实际上调整的是LED的占空比,这样导致的问题要么低灰无响应,因为IC本身有一个输出响应时间,在33ns附近,如果脉宽低于此值,IC将不接收,另外一个是压缩灰阶,在100%亮度时16384级灰阶,当降低到70%亮度时,其有效占空比只有0%--70%,完整性灰阶只有原先的70%,其余30%将因驱动瓶颈将无法显示,所以通过系统降低亮度来获得低亮是不可取的。

  下面以我司极光二代1.25为例进行技术细节说明, 低亮高灰在小间距屏设计的难度

像素间距(mm) 1.25 1.25 1.25 0.9 0.9 备注
亮度 (nits) 600 500 1200 400 400  
驱动芯片 MBI5353 MBI5353 MBI5353 MBI5353 ----- IC待定
LED规格 SMD1010 SMD1010 SMD1010 SMD0707 SMD0707  
LED利用率 70% 80% 70% 70% 60% 扫描高,利用率低
扫描行数 27 27 27 32 64  
R使用亮度 (mcd) 10.83 7.89 21.7 4.8 9.6  
G使用亮度 (mcd) 21.6 15.78 43.4 9.6 19.3  
B使用亮度 (mcd) 3.61 2.63 7.23 1.6 3.21  
R 工作电流 (ma) 2.46 1.79 6.13 1.09 2.18  
G工作电流 (ma) 1.47 1.07 2.93 1.29 2.59  
B工作电流 (ma) 1.13 0.82 2.26 0.79 1.60  

  从上述表格得出三点分析

  1:亮度与电流

  从上述表格可以看出,在灯珠参数不变的情况亮度和电流直接相关,而从实际的调试效果来说,我们做过产品的极限带载的测试,1200nits的亮度优于500nits的效果,封装厂家在LED产出前,均有做LED的BIN值检测,例如:1010LED用5Ma进行分BIN,那么在5Ma的数据是最准确的,所以如果其电流落在5Ma时效果最好,最明显的传统户外屏,LED分BIN在10-20ma,基本上LED都在这个电流下工作,所以灰阶问题较少,而上述表格中LED电流在1Ma附近,已经远离了亮度,波长筛选的范围。

  2:灰度与电流的关系

  电流型器件,那么就存在的电流输出响应,电流精度控制等,模拟器件不比数字器件, 数字信号容易控制,且控制准确,这个就是为什么计算机可以输出14bit灰阶值,但是经过驱动IC后却只有5000:1等。

  A:IC的电流精度控制,上面看到我司主选用MBI5353,一个是优势是其48通道,另外一个优势就是低至0.5ma的通道电流横流精度,相比MBI5153的1ma会好很多,我司曾经做过实际的对比,相同驱动下,MBI5153的灰阶效果会差很多,色块等差异更加明显,所以当低灰出现色块问题时,一般多为驱动IC的线性响应问题。

  MBI5353 通道恒流参数 MBI5153 通道恒流参数

  B:LED的电流响应,回到第一点,在短脉冲情况下,LED是否可以立即响应,例如100ns打开时间,1ma的电流输送至LED,LED实际有效响应时间是多少,响应出来的波长,亮度是否是设计需要的,而封装公司的测试一直是直流检测,即利用恒流源进行检测,而不会出现脉冲效果,所以LED在短脉冲下的电流响应也和其灰阶显示有关。

  通过以上分析,我司在恒流驱动上已经选择了业内最好的驱动方案,但是因灯珠参数的限制,仍然在低灰阶上存在风险,而且我司基于严格的灰阶测试响应,即用CS-2000逐级测试亮度进行线性对比,摒弃部分厂家采用技术屏蔽手段,利用人眼视觉暗场分辨能力弱的问题,所以人眼观看可接受,但是在星光级摄像头或专用测试软件测试下,即可显露原形。鉴于上述分析已经找到了方案,我司反向要求封装厂家对LED 分BIN电流和亮度取值范围,如下LED参数

  通过如上数据,我们按照1.25,600nits的亮度,换算出实际的工作电流为

  IR=3.3Ma, IG=2.34Ma, IB = 1.45 Ma

  从资料可看出,LED的BIN筛选已经由5ma降低为3ma,这样电流的差异性进一步的变小,同时有选择的使用亮度BIN,保证LED,IC都在恒流特性范围内工作。

  低亮高灰之高温热偏移引起的LED发光不均

  依据对LED的常识 红色VF = 1.7-2.2 ,蓝绿VF 3.0-3.5 但是当我们使用如此低的电流时,其VF参数已经发生变更,如下图这样我们在电压选择时,就需要重新计算思考,例如我们使用1.0Ma的电流时,蓝色VF<2.4V,如果继续按照3.0V VF考虑则产品过热,低灰存在严重的以IC区域的颜色差异。

  那么对于进入更小的间距我们如何突破呢

  1:实用亮度级别更低的LED

  采用更小晶片封装的LED---静电,IR问题。

  采用黑色素更高的LED---透光性不好,热量堆积

  2:采用更高的扫描驱动芯片,例如64扫的。

  需要更高的驱动时钟,在有限的布板条件下,需要牺牲刷新。

  3:采用新的驱动架构,更高的恒流驱动能力,---由占空比脉冲式改为数字恒流源均流式。

  此种笔者认为彩色最终的高密屏的方案,LED本身是电流型器件,通过数字恒流源调控LED工作的电流,而不是高速脉冲电流,这样LED线性响应效果会更好,电路的噪声等会降低很多

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