近年来，LED显示屏被广泛运用在各种大型运动赛事及国际活动中，例如:北京奥运及上海世博会，加上各式摄像器材在快门及摄像速度技术的日新月异，一般240Hz刷新率的LED扫描屏在拍摄时将会出现扫描波纹及画面灰阶丢失的问题，造成摄像质量变差，已无法满足高端市场的需求，因此，高刷新率扫描屏的技术发展逐渐获得重视，驱动芯片也顺应高端需求推出扫描显示屏解决方案。
关键词
LED显示屏 (LED display)
画面刷新率 (Refresh rate)
适应性脉波密度调变 (APDM)
扫描脉冲密度调变(MPDM)
LED驱动芯片 (LED driver)
MY9262
MY9268
一.LED显示屏在数码相机摄像及高速摄像机下遭遇的问题:
(1)扫描条纹问题
当我们对扫描屏摄像时，经常会出现的扫描条纹线，原因来自于显示屏的行扫描频率过低，为了消除这种现象，扫描频率需要远远超过快门时间。一般户内拍摄时，快门设定时间约为1/60~1/200秒，所以为了拍摄高质量的摄像画面，必须要求显示屏画面刷新频率为1,000Hz以上。
(2)画面灰阶丢失问题
在针对LED扫描屏摄影时，会出现原本画面中很均匀的灰度转换过程，摄像的效果却只有少数层次变化，部份的灰阶变化无法呈现在摄像成品中，这种现象就是画面灰阶丢失问题。这种现象也是因为显示屏画面刷新率过低，无法满足相机的快门设定时间所造成的问题，为了完整地拍到整个灰度转换的各个灰阶，必须要提高显示屏的画面刷新频率，保证每次快门打开时间内可以包含多次的画面更新。在户外摄影的快门经常设定在1ms以下，因此画面刷新频率必须保证在3,000Hz以上才能有完美优质的摄像结果。
(3)高速摄像机拍摄问题
在大型运动赛事会场中，经常需要架设高速摄影机来补捉精彩时刻的画面，或者必须利用高速摄影机画面来判定竞赛的胜负结果，此时，在会场中的LED扫描屏如果刷新率太低，将严重影响摄像质量，目前，高速摄像机拍摄1280 x 1024高画素影像时，每秒可高达1000~2500张画面，因此必须保证LED扫描屏画面刷新率在12500Hz以上，才能确保摄像画面不会出现扫描条纹及灰阶丢失的问题产生。这些高画面刷新率的扫描屏需求，在使用传统Scramble-PWM的驱动芯片下很难完成这样的规格要求。
因此，唯有提升显示屏技术，利用高刷新扫描屏才能克服上述三种问题的限制。
二.现有高画面刷新率LED扫描屏解决方案:
以静态驱动方式来实现高画面刷新率LED显示屏，可以使用内建PWM功能的驱动芯片来提高LED使用率，以明阳半导体的MY9262为例，内建16位灰阶计数器，并使用APDM技术将恒流输出波形依据灰阶数据数据平均打散成64段或128段，可降低因非对称电流响应造成的损耗，并且大幅提高画面刷新率，在灰阶时钟GCK等于16MHz操作条件下，16位灰阶画面刷新率可高达15000Hz(见图一所示)，但是静态驱动方式必须使用为数众多的恒流驱动芯片才能实现。
图一. 利用APDM技术提高画面刷新率
如果此类芯片使用在动态扫描屏时，以1/8扫驱动为例(见图二所示)，ROW1的LED只有在自己的扫描行时间下才会被点亮，必须等待ROW2~ROW8行扫描时间都完成16位灰阶画面后，LED才会再次被点亮，因此，16位灰阶扫描屏的画面刷新率仍然无法被提高，但是可以利用(1)降低画面灰度阶数或(2)将灰阶数据分组来提高扫描屏画面刷新率。
图二. 传统APDM/PWM芯片在1/8扫驱动的电流输出波形
(1)降低画面灰阶数实现扫描屏
以灰阶时钟GCK=16MHz实现16位灰阶的1/8扫驱动扫描屏，一个完整画面周期等于524288个灰阶时钟时间(65536*8扫)，画面刷新率约等于30Hz，无法满足一般人眼的视觉敏感度60Hz，所以会感觉画面有闪烁的现象，因此，可以藉由降低画面灰度阶数来提高刷新率，如果将灰度阶数降低至12位，一个完整画面周期将缩短到32768个灰阶时钟时间(4096*8扫)，画面刷新率可提升约到480Hz，但是480Hz对于前述高规格需求来说还是略嫌不足。
(2)把灰阶数据分组
图三. 16位灰阶画面分组成16组12位灰阶画面
一个完整16位灰阶画面必须由65536个GCK时间组成，藉由将画面打散成16组(即每组由4096个GCK时间组成)，可将画面刷新率提高16倍。此动态屏的扫描行数设定为8，所以一个完整画面周期为524288个GCK时间(65536*8扫)，才能完整显示指定的灰阶画面。同时，1至16的灰阶宽度总和必须等于16位灰阶数据设定值。以灰阶时钟频率为16MHz为例,显示屏刷新率可提升到480Hz。
三.扫描型驱动芯片解决方案:
扫描型驱动芯片利用内建存储器SRAM，预先储存全部扫描数据数据于芯片，再采用扫描脉冲密度调变(MPDM)技术，将不同扫描数据画面交错显示，藉由此技术可在不提高灰阶时钟频率的情况下，大幅提升动态扫描屏的画面刷新率并且降低电磁干扰(EMI)影响。
扫描脉冲密度调变技术，将一个画面周期分割成指定的段数，藉由交错显示不同扫描数据的技术来提升画面刷新率，藉由MPDM技术，可在不增加灰阶时钟频率的情况下，有效提高动态驱动显示屏的画面刷新率。
一个完整16位灰阶画面是由65536个单缘触发的传统灰阶时钟组成。因此，当显示屏使用传统PWM芯片时，控制器必须要传送高速的灰阶时钟，来实现提高画面刷新率的目的，但高速灰阶时钟也将造成严重的电磁干扰效应，影响显示屏质量。明阳半导体MY9268扫描型驱动芯片可采用双缘触发灰阶时钟设计，在灰阶时钟的正缘及负缘都可以执行画面运作，一个完整16位灰阶画面只需要由32768个双缘触发灰阶时钟组成，可以有效降低灰阶时钟频率至传统PWM驱动芯片的1/2及降低电磁干扰，且降低PCB对高频时钟的设计难度。
例如:当灰阶时钟频率设定为16MHz时，
1/8扫驱动，可显示16位灰阶(65,536阶)且刷新率达16000Hz的高质量画面;
1/4扫驱动，可显示16位灰阶(65,536阶)且画面率高达32000Hz的高质量画面。
在扫描驱动的运用时，为了避免前扫描线及现在扫描线驱动的LED同时被点亮，造成严重的画面拖影现象，必须在三极管切换的过程中，把芯片的恒流输出端关闭。MY9268扫描型驱动芯片可以在二个扫描画面之间，利用拉长灰阶时钟执行自动画面插黑功能，全部的恒流输出端在这段时间内将完全被关闭。
五.结论:
高刷新率已成为LED显示屏未来趋势，采用明阳半导体MY9268扫描型驱动芯片，不但可有效增加控制卡带载芯片数量，并且完美实现高LED使用率及低电磁干扰的高端LED扫描屏。
作者简介
姓名：林俊甫
性别：男
籍贯：台湾
职称：台湾明阳半导体(MY-Semi) 芯片设计工程师
学位：台湾交通大学电信所 硕士
研究方向：LED驱动芯片
联系地址: 302台湾新竹县竹北市成功三路138号3楼
电话号码: 886-3-6585656-602
电子信箱: jf_lin@my-semi.com.tw
