近年來，LED顯示屏被廣泛運用在各種大型運動賽事及國際活動中，例如:北京奧運及上海世博會，加上各式攝像器材在快門及攝像速度技術的日新月異，一般240Hz刷新率的LED掃描屏在拍攝時將會出現掃描波紋及畫面灰階丟失的問題，造成攝像質量變差，已無法滿足高端市場的需求，因此，高刷新率掃描屏的技術發展逐漸獲得重視，驅動芯片也順應高端需求推出掃描顯示屏解決方案。
關鍵詞
LED顯示屏 (LED display)
畫面刷新率 (Refresh rate)
適應性脈波密度調變 (APDM)
掃描脈沖密度調變(MPDM)
LED驅動芯片 (LED driver)
MY9262
MY9268
一.LED顯示屏在數碼相機攝像及高速攝像機下遭遇的問題:
(1)掃描條紋問題
當我們對掃描屏攝像時，經常會出現的掃描條紋線，原因來自于顯示屏的行掃描頻率過低，為了消除這種現象，掃描頻率需要遠遠超過快門時間。一般戶內拍攝時，快門設定時間約為1/60~1/200秒，所以為了拍攝高質量的攝像畫面，必須要求顯示屏畫面刷新頻率為1,000Hz以上。
(2)畫面灰階丟失問題
在針對LED掃描屏攝影時，會出現原本畫面中很均勻的灰度轉換過程，攝像的效果卻只有少數層次變化，部份的灰階變化無法呈現在攝像成品中，這種現象就是畫面灰階丟失問題。這種現象也是因為顯示屏畫面刷新率過低，無法滿足相機的快門設定時間所造成的問題，為了完整地拍到整個灰度轉換的各個灰階，必須要提高顯示屏的畫面刷新頻率，保證每次快門打開時間內可以包含多次的畫面更新。在戶外攝影的快門經常設定在1ms以下，因此畫面刷新頻率必須保證在3,000Hz以上才能有完美優質的攝像結果。
(3)高速攝像機拍攝問題
在大型運動賽事會場中，經常需要架設高速攝影機來補捉精彩時刻的畫面，或者必須利用高速攝影機畫面來判定競賽的勝負結果，此時，在會場中的LED掃描屏如果刷新率太低，將嚴重影響攝像質量，目前，高速攝像機拍攝1280 x 1024高畫素影像時，每秒可高達1000~2500張畫面，因此必須保證LED掃描屏畫面刷新率在12500Hz以上，才能確保攝像畫面不會出現掃描條紋及灰階丟失的問題產生。這些高畫面刷新率的掃描屏需求，在使用傳統Scramble-PWM的驅動芯片下很難完成這樣的規格要求。
因此，唯有提升顯示屏技術，利用高刷新掃描屏才能克服上述三種問題的限制。
二.現有高畫面刷新率LED掃描屏解決方案:
以靜態驅動方式來實現高畫面刷新率LED顯示屏，可以使用內建PWM功能的驅動芯片來提高LED使用率，以明陽半導體的MY9262為例，內建16位灰階計數器，并使用APDM技術將恒流輸出波形依據灰階數據數據平均打散成64段或128段，可降低因非對稱電流響應造成的損耗，并且大幅提高畫面刷新率，在灰階時鐘GCK等于16MHz操作條件下，16位灰階畫面刷新率可高達15000Hz(見圖一所示)，但是靜態驅動方式必須使用為數眾多的恒流驅動芯片才能實現。
圖一. 利用APDM技術提高畫面刷新率
如果此類芯片使用在動態掃描屏時，以1/8掃驅動為例(見圖二所示)，ROW1的LED只有在自己的掃描行時間下才會被點亮，必須等待ROW2~ROW8行掃描時間都完成16位灰階畫面后，LED才會再次被點亮，因此，16位灰階掃描屏的畫面刷新率仍然無法被提高，但是可以利用(1)降低畫面灰度階數或(2)將灰階數據分組來提高掃描屏畫面刷新率。
圖二. 傳統APDM/PWM芯片在1/8掃驅動的電流輸出波形
(1)降低畫面灰階數實現掃描屏
以灰階時鐘GCK=16MHz實現16位灰階的1/8掃驅動掃描屏，一個完整畫面周期等于524288個灰階時鐘時間(65536*8掃)，畫面刷新率約等于30Hz，無法滿足一般人眼的視覺敏感度60Hz，所以會感覺畫面有閃爍的現象，因此，可以藉由降低畫面灰度階數來提高刷新率，如果將灰度階數降低至12位，一個完整畫面周期將縮短到32768個灰階時鐘時間(4096*8掃)，畫面刷新率可提升約到480Hz，但是480Hz對于前述高規格需求來說還是略嫌不足。
(2)把灰階數據分組
圖三. 16位灰階畫面分組成16組12位灰階畫面
一個完整16位灰階畫面必須由65536個GCK時間組成，藉由將畫面打散成16組(即每組由4096個GCK時間組成)，可將畫面刷新率提高16倍。此動態屏的掃描行數設定為8，所以一個完整畫面周期為524288個GCK時間(65536*8掃)，才能完整顯示指定的灰階畫面。同時，1至16的灰階寬度總和必須等于16位灰階數據設定值。以灰階時鐘頻率為16MHz為例,顯示屏刷新率可提升到480Hz。
三.掃描型驅動芯片解決方案:
掃描型驅動芯片利用內建存儲器SRAM，預先儲存全部掃描數據數據于芯片，再采用掃描脈沖密度調變(MPDM)技術，將不同掃描數據畫面交錯顯示，藉由此技術可在不提高灰階時鐘頻率的情況下，大幅提升動態掃描屏的畫面刷新率并且降低電磁干擾(EMI)影響。
掃描脈沖密度調變技術，將一個畫面周期分割成指定的段數，藉由交錯顯示不同掃描數據的技術來提升畫面刷新率，藉由MPDM技術，可在不增加灰階時鐘頻率的情況下，有效提高動態驅動顯示屏的畫面刷新率。
一個完整16位灰階畫面是由65536個單緣觸發的傳統灰階時鐘組成。因此，當顯示屏使用傳統PWM芯片時，控制器必須要傳送高速的灰階時鐘，來實現提高畫面刷新率的目的，但高速灰階時鐘也將造成嚴重的電磁干擾效應，影響顯示屏質量。明陽半導體MY9268掃描型驅動芯片可采用雙緣觸發灰階時鐘設計，在灰階時鐘的正緣及負緣都可以執行畫面運作，一個完整16位灰階畫面只需要由32768個雙緣觸發灰階時鐘組成，可以有效降低灰階時鐘頻率至傳統PWM驅動芯片的1/2及降低電磁干擾，且降低PCB對高頻時鐘的設計難度。
例如:當灰階時鐘頻率設定為16MHz時，
1/8掃驅動，可顯示16位灰階(65,536階)且刷新率達16000Hz的高質量畫面;
1/4掃驅動，可顯示16位灰階(65,536階)且畫面率高達32000Hz的高質量畫面。
在掃描驅動的運用時，為了避免前掃描線及現在掃描線驅動的LED同時被點亮，造成嚴重的畫面拖影現象，必須在三極管切換的過程中，把芯片的恒流輸出端關閉。MY9268掃描型驅動芯片可以在二個掃描畫面之間，利用拉長灰階時鐘執行自動畫面插黑功能，全部的恒流輸出端在這段時間內將完全被關閉。
五.結論:
高刷新率已成為LED顯示屏未來趨勢，采用明陽半導體MY9268掃描型驅動芯片，不但可有效增加控制卡帶載芯片數量，并且完美實現高LED使用率及低電磁干擾的高端LED掃描屏。
作者簡介
姓名：林俊甫
性別：男
籍貫：臺灣
職稱：臺灣明陽半導體(MY-Semi) 芯片設計工程師
學位：臺灣交通大學電信所 碩士
研究方向：LED驅動芯片
聯系地址: 302臺灣新竹縣竹北市成功三路138號3樓
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