如何设计LED数字标牌和LED矩阵显示屏

【中国数字视听网讯】基于LED的标牌和矩阵显示屏为不断增长的室内外应用带来了更多的功能以及绚丽夺目的视觉效果。LED技术的最新发展使人们很难分辨出自己看到的到底是其高质量显示屏的静止画面，还是传统的打印或绘制广告牌。本教程将详细介绍LED显示屏系统的基本技术原理，以及使用分立LED灯泡阵列设计它们需要考虑的设计问题。

LED 驱动基础

首先，我们要对比不同的LED驱动电路，以确定最佳方案。

连接电压源

众所周知，LED 灯(或二极管)在具有足够正向电压(VF)时开始导通。导通时其正向电流通常会发光。根据这个基本知识可以得出图1a中的第一种选项，不过这样行不通。因为 LED 电流是其电压偏置的指数函数(公式1)，LED 灯的光强度对该电压非常敏感。大多数情况下，大电流条件通常会将原本长寿命的LED变成昂贵的闪光灯泡。

下面是图1a行不通的原因所在。在公式1中，IS、RS是常数，取决于LED产品本身，与VT是热电压无关。假设串联电阻RS是理想值零，那么仅0.1V的VF变化就会产生47倍的ILED差异。

例如，20mA的目标LED电流值在其偏置电流出现仅0.1V的差异时就会跳变至1A。即使考虑实际RS值，真实LED器件在具有0.1V偏置差异时仍会出现10至20倍的差异。

图 1.对比三种LED驱动电路

支持流限电阻器的电压源

现在我们来看看图1b。添加一个限流电阻器RLIMIT来保护LED灯。由于有限流电阻器，因此该灯不会被烧坏。在视频显示器应用领域，这种方法在控制LED光强度方面仍然不够好。LED曲线和RLIMIT产生的负载曲线可决定其LED电流值。如红色或蓝色标记所示，该LED和电阻器分别存在制造误差造成的正向电压变化及电阻变化。这些误差因素会使LED电流(绿)产生不可忽视的变化。

恒流源

图1c采用恒流电路而非电阻器。该恒流驱动器电路可直接将LED电流调节为目标值。无论LED灯在制造过程中会产生多少VF变化，LED都会传导特定的电流值。LED灯的光强度与通过 PN 结点的电荷紧密相关，因此该恒流驱动器是从LED灯获得统一光输出的理想方法。

此外，我们都知道集成电路(IC)可提供良好的匹配电路对。这也是选择恒流法的另一个优势。图2是LED驱动器的基本输出级结构。市场上很多LED驱动器IC都有参考电流设置端 IREF,该参考电流是镜像到其输出端的恒流。

图 2. LED 驱动器IC的基本输出配置

图2是该讨论的结果，即LED驱动器的基本输出电路配置。

色彩驱动

到目前为止，我们已经能够确定如何驱动单个LED灯了。下一步是为视频显示系统实现全色彩光输出。通过组合光的不同深浅红绿蓝三原色(RGB)，任何色彩都可生成。较为熟悉的示例是采用个人计算机(PC)上的色彩选择工具。

数字或模拟的灰阶控制

PC 操作系统将三种色彩混合为256个色阶(每阶8个二进制位)或更多，以显示全彩色像素。对于LED显示系统而言，也需要采用相同概念的色阶色彩强度控制，以便在LED驱动器设计中实现色阶控制或灰阶控制。

首先应决定使用数字控制还是模拟控制。前面已经介绍过，经过 PN 结点的总电荷数可决定光强度，因此数字和模拟方法均可控制光强度。图3是数字和模拟法中的50%灰阶控制。在总体256个色阶的示例中，该50%表明了一个有128个灰阶的目标。

图 3.数字和模拟的50%强度控制

LED 电流与色彩变化

这时候，需要考虑电流变化对LED光输出波长值的影响。改变波长就意味着改变人眼看到的色彩。图4是绿色LED灯的实例。通常在业界，510nm 广泛代表绿色。因此，大部分LED灯制造商所设计的LED灯产品在最大额定电流下都具备510nm的波长。在图4中，随着LED电流的升高，波长可达到510nm。获得绿色的最佳方法是尽量使灯的驱动电流接近最大额定值。这也就说明了为什么使用数字控制比使用模拟控制好。

选择数字控制的另一个优势是便于以数字电路模块的形式对LED驱动器IC实施控制。对于256阶的灰阶控制而言，数字控制的成本比模拟控制低。

图 4.绿色LED电流与波长实例

这种ON/OFF 数字控制称之为脉宽调制(PWM)控制，或者PWM调光。现将PWM控制开关添加至图2。