大屏幕发光二极管亮度控制装置的制作方法
专利名称：大屏幕发光二极管亮度控制装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及发光二极管即LED大屏幕显示技术，特别涉及高效率利用电能、克服单只LED管亮度分散性的显示控制技术，降低了大屏幕显示对LED管的筛选要求。
背景技术：
以LED为像素的大屏幕显示屏，每一颗LED的亮度都需要受到系统电路的控制而显示出所需的图像。目前控制LED亮度的方法主要有电流控制法，通过改变流过LED中的电流来改变亮度。这种方法中每一个像素都需要一个可控电流源，其缺点是电路复杂，成本高。
PWM即脉宽调制法，它是通过占空比改变LED发光的时间，并利用人眼的视觉暂留，来改变亮度的。这也是目前最常用的方法。一般LED在直流驱动的情况下最大电流为20mA，而在占空比为1/10时的最大峰值电流为100mA，其平均值只有直流供电时的一半，因此亮度也只有直流供电时的一半。而亮度恰恰是LED显示屏，尤其是户外屏的重要性能指标，因此PWM驱动方式存在亮度不足这样的缺点，LED的发光利用率不高，亮度受到一定限制。
还有，以上两种方法还具有一个共同的缺点，就是电源利用效率低。由于LED的正向压降Vf具有一定的离散性，为了使各个像素的亮度一致，电路上必须加限流电阻或留有一定的压降作为电流调整。限流电阻和电流调整用控制IC均要消耗一定的功率，消耗的功率不仅浪费了能源，还会使电路的温度上升，影响可靠性。
此外，现有技术中亮度的调整需要逐点调整零件参数，非常不便。
发明内容
为了克服上述现有技术的不足之处，本发明提出了LED储能驱动为核心的大屏幕发光二极管亮度控制装置，通过储能元件控制加在LED上的功率来增强LED的亮度，并采用存储计算式像素点亮度修正方法，从而解决了传统方法中的电路复杂、亮度受限和能效低、可靠性差，以及亮度调整不便的问题，可以使用价格低一些的LED来达到传统方法中必须使用的昂贵的LED才能达到的效果，从而提高了控制性能，降低了成本。
本发明的目的可以这样来达到设计、制造一种大屏幕发光二极管亮度控制装置，包括模块数据接口电路和与之相连的PWM信号发生器，以及驱动电路和发光二极管矩阵；其特征在于，所述矩阵中的发光二极管D的两端并接有电容C；其一端还接有续流二极管Dx，并在其另一端与所述续流二极管Dx之间接有储能电感L。
附图简要说明
图1是附加L、C储能驱动元件的LED单元基本结构图；图2是所述储能驱动式LED单元另一种结构图；图3是本发明大屏幕发光二极管亮度控制装置的模块总体结构示意图；图4是所述亮度控制装置的模块电路连结图；图5是所述储能驱动式LED单元串接双极型三极管的连接结构图；图6是所述储能驱动式LED单元串接场效应三极管的连接结构图。
具体实施方式
以下结合附图详述本发明的实施例。
一种大屏幕发光二极管亮度控制装置，包括模块数据接口电路2和与之相连的PWM信号发生器1，以及依次相连的驱动电路5和发光二极管矩阵6；其特征在于所述矩阵中的发光二极管D的两端并接有适当容值的电容C；其一端还接有续流二极管Dx，并在其另一端与所述续流二极管Dx之间接有适当电感量的储能电感L。所述亮度控制装置的总体结构和储能驱动LED单元基本结构图如
图1、图2和图3所示。
图3还示出所述模块数据接口电路2和PWM发生器1之间，还设置有模块数据运算单元3；所述模块数据运算单元3还与存有本模块像素点亮度差异值或修正值及的存储器4相连。图4所示为图3所述亮度控制装置模块的电路连结图所述发光二极管D的正端或负端可连接受控三极管；该三极管的控制极接PWM信号。通常，每个模块的发光二极管可分成多组，每组由一只三极管驱动。
在一种实施例中，所述受控三极管采用双极型半导体管TR1；所述发光二极管D串接在其集电极回路或发射极回路中。如图5的5-1至5-4所示。
在另一种实施例中，所述受控三极管采用场效应三极管TR2，所述发光二极管D串接在其源极或漏极回路中。如图6的6-1至6-4所示。
本储能驱动式方案的基本电路见
图1、图2。当开关闭合即有输入脉冲时电源通过电感L向发光二极管D供电，同时向C充电并向L中储能；当开关断开即输入为零时L中的能量通过Dx继续向D供电，同时向C充电；当L中储存的电能耗尽时，C中充满的电能可继续向D供电，直到下一个周期开始。发光二极管D上得到的功率，取决于每个周期中开关闭合时间的长短，即开关闭合的占空比。只要C的容量足够大发光二极管D两端基本上近似于直流供电，避免了普通PWM驱动法由于瞬间发光而带来的亮度受限的问题。由于LED得到的功率主要取决于供电电压和L的电感量，以及开关的占空比，与LED的正向压降关系较小，因此省略了限流电阻，提高了效率。
附图4是一个8×8模块的控制电路的一种具体实施例。
图4中J1A是图像信号输入接口，图像信号采用8位并行传输，包括时钟信号CLK、数据使能信号DE、行同步信号H-SYNC和场同步信号V-SYNC。J2A是级联信号输出接口，将图像信号传给下一个模块。U1和U3型号为74LS244，是线驱动器用以增强信号的传输能力。U2型号为XC95144，是Xilinx公司的CPLD，用来作数据锁存和PWM信号产生。U4型号为TS87C52X2是Atmel公司的8051系列单片机，用作将图像信号与误差信号作补偿运算。误差信号存在U5中。U5是通用串行EEPROM 93C56，共有256个字节的存储空间，用以存放192个发光二极管组的误差信号。
此外，电路上还留有一个调整接口CON4。它是用来在工厂进行LED补偿调整时将误差数据存入U5中而设的。当模块每次加电后MCU U4在初始化后读出U5中的数据，存入片上RAM中，实时地与U2收到的数据进行运算，并将运算结果传回U2。
所述的储能驱动式基本电路可由图5、图6中的几种具体电路来实现。其中，图5-1、5-2的储能驱动式发光二极管单元接在三极管集电极回路中，图5-3、5-4的储能驱动式发光二极管单元接在三极管发射极回路中；而图5-1、5-3的储能电感L接在发光二极管D的阳极，图5-2、5-4的储能电感L接在发光二极管D的阴极。图6中受控三极管采用场效应三极管，接法与图5中类似。
在LED大屏幕实现方案中，如果每个像素的储能电感、电容的参数离散，或LED本身的发光效率存在差异，会使屏幕上不同像素之间出现亮度不一致，在视觉效果上会表现为色斑、白场一致性不良等缺陷。针对这一问题，可采用存储计算式像素点亮度修正方法加以解决。
一般的LED超大屏幕显示屏的结构是首先由几十个到几千个LED加驱动电路组成模块，再由模块拼装成整块显示屏。模块一般是在工厂内完成组装、老化、测试，而拼装是在现场完成。
存储计算式像素点亮度修正方法是在每个模块上加入一个存储器4，可采用PROM、EPROM、EEPROM、FLASH MEMORY等，用以记录每个像素的亮度差异的数据或其修正值，将记录的数据与要显示的亮度数据在模块数据运算单元3进行运算，补偿像素的亮度差异，然后驱动LED，得到更加符合要求的显示效果。
在模块生产的过程中，通过测试采集亮度差异数据或修正值，存入存储器中。即产成品的模块即是补偿过的模块，直接拼装即可达到良好的效果。特别是经过一段时间的使用，某些像素出现老化，亮度变化，同样可借助存储计算式像素点亮度修正方法，现场对存储器中的数据进行更新，使各像素的亮度达到一致，且提高功效。
试验证明，采用储能式驱动方法对响应时间基本不会有影响，也不会产生滞后和拖尾现象。
从理论上说采用储能式驱动方法，由于L、C元件的作用，相比传统的驱动方式，响应时间是会慢一些，但在LED超大屏幕显示屏的实际应用当中，这种响应时间的延长对于显示效果不会造成影响。
我们知道，人眼的视觉暂留时间一般是15毫秒左右。如果一台显示设备的响应时间超过15mS人眼就会有感觉，如果响应时间超过25mS，在显示动态图象时就会明显感觉到拖尾现象。在LCD显示设备中由于液晶屏本身的限制，响应时间大多在25mS以上，有的甚至在40mS以上，因此人们在用液晶显示器观看动态图象时，会看到明显的拖尾。而上一代的显示设备CRT显示器，由于响应时间在10mS以下，就不存在拖尾现象。
显示设备的响应时间是由发光体的响应时间和驱动电路的响应时间决定的，LED本身的响应时间在μS级，不存在问题；由于LED超大屏幕显示屏的扫描驱动是在每一个模块中完成的，而每个模块驱动的像素数量有限，因此对各像素扫描的刷新频率非常高。以8×8点阵的模块为例我们采用8列并行行扫描的方法驱动，假设PWM的点时钟是100MHz，采用R、G、B每色10Bit的色彩深度，则每行的一个PWM周期是1024/100×106＝10.24μS每个模块的扫描周期是8×10.24μS约82μS，也就是说，以传统的PWM驱动方法驱动的LED显示屏响应时间可以作到82μS。采用储能式驱动方法后，为了使LED上得到的电流更加平稳，我们将储能元件的时间常数设定到扫描周期的10倍，那么我们仍可以得到820μS的响应时间。如果我们采用8×16或16×16点阵的模块，响应时间仍可以作到1.64mS。
因此采用储能式驱动方法而造成响应时间的微小延长，不会对显示效果造成影响。
如前所述，采用本发明后，第一可使采用PWM驱动方法的现有LED显示屏的亮度提高，改善观看效果。第二可使用低一级的LED达到高级LED的效果，节省成本。第三可提高显示屏的电源使用效率，节省能源。第四减少发热量，提高可靠性和使用寿命。第五亮度调整特别是使用一段时间后的亮度调整极为方便，可避免逐点调整元件，从而提高功效。
权利要求1.一种大屏幕发光二极管亮度控制装置，包括模块数据接口电路(2)和与之相连的PWM信号发生器(1)，以及依次相连的驱动电路(5)和发光二极管矩阵(6)；其特征在于所述矩阵中的发光二极管D的两端并接有电容C；其一端还接有续流二极管Dx，并在其另一端与所述续流二极管Dx之间接有储能电感L。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于所述模块数据接口电路(2)和PWM信号发生器(1)之间，还设置有数据运算单元(3)；所述数据运算单元(3)还与存有本模块像素点亮度差异值或修正值及相应地址的存储器(4)相连。
3.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于所述发光二极管的正端或负端连接受控三极管；该三极管的控制极接PWM信号。
4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于所述受控三极管是双极型半导体管TR1；所述发光二极管D串接在其集电极回路或发射极回路中。
5.根据权利要求3所述的装置，其特征在于所述受控三极管是场效应三极管TR2，所述发光二极管D串接在其源极或漏极回路中。
专利摘要一种大屏幕发光二极管亮度控制装置，按PWM控制方式分时供电，以及按照输入信号扫描；该大屏幕分模块工作，图像信号经数据接口向每个模块传送，模块上的PWM发生器将图像信号转换成PWM信号，通过驱动电路以扫描的方式向发光二极管供电；包括模块数据接口电路(2)和PWM信号发生器(1)，以及驱动电路(5)和发光二极管矩阵(6)；尤其是所述矩阵中的发光二极管D的两端并接有电容C；其一端接续流二极管Dx，并在其另一端与所述续流二极管Dx之间接储能电感L。本方法及装置通过储能元件和存储计算式像素点亮度修正方法控制、增强LED亮度，降低了对LED管的筛选要求及成本。
文档编号G09G3/32GK2567720SQ0225735
公开日2003年8月20日 申请日期2002年9月18日 优先权日2002年9月18日
发明者王晓峰 申请人:王晓峰
技术领域：
本实用新型涉及发光二极管即LED大屏幕显示技术，特别涉及高效率利用电能、克服单只LED管亮度分散性的显示控制技术，降低了大屏幕显示对LED管的筛选要求。
背景技术：
以LED为像素的大屏幕显示屏，每一颗LED的亮度都需要受到系统电路的控制而显示出所需的图像。目前控制LED亮度的方法主要有电流控制法，通过改变流过LED中的电流来改变亮度。这种方法中每一个像素都需要一个可控电流源，其缺点是电路复杂，成本高。
PWM即脉宽调制法，它是通过占空比改变LED发光的时间，并利用人眼的视觉暂留，来改变亮度的。这也是目前最常用的方法。一般LED在直流驱动的情况下最大电流为20mA，而在占空比为1/10时的最大峰值电流为100mA，其平均值只有直流供电时的一半，因此亮度也只有直流供电时的一半。而亮度恰恰是LED显示屏，尤其是户外屏的重要性能指标，因此PWM驱动方式存在亮度不足这样的缺点，LED的发光利用率不高，亮度受到一定限制。
还有，以上两种方法还具有一个共同的缺点，就是电源利用效率低。由于LED的正向压降Vf具有一定的离散性，为了使各个像素的亮度一致，电路上必须加限流电阻或留有一定的压降作为电流调整。限流电阻和电流调整用控制IC均要消耗一定的功率，消耗的功率不仅浪费了能源，还会使电路的温度上升，影响可靠性。
此外，现有技术中亮度的调整需要逐点调整零件参数，非常不便。
发明内容
为了克服上述现有技术的不足之处，本发明提出了LED储能驱动为核心的大屏幕发光二极管亮度控制装置，通过储能元件控制加在LED上的功率来增强LED的亮度，并采用存储计算式像素点亮度修正方法，从而解决了传统方法中的电路复杂、亮度受限和能效低、可靠性差，以及亮度调整不便的问题，可以使用价格低一些的LED来达到传统方法中必须使用的昂贵的LED才能达到的效果，从而提高了控制性能，降低了成本。
本发明的目的可以这样来达到设计、制造一种大屏幕发光二极管亮度控制装置，包括模块数据接口电路和与之相连的PWM信号发生器，以及驱动电路和发光二极管矩阵；其特征在于，所述矩阵中的发光二极管D的两端并接有电容C；其一端还接有续流二极管Dx，并在其另一端与所述续流二极管Dx之间接有储能电感L。
附图简要说明
图1是附加L、C储能驱动元件的LED单元基本结构图；图2是所述储能驱动式LED单元另一种结构图；图3是本发明大屏幕发光二极管亮度控制装置的模块总体结构示意图；图4是所述亮度控制装置的模块电路连结图；图5是所述储能驱动式LED单元串接双极型三极管的连接结构图；图6是所述储能驱动式LED单元串接场效应三极管的连接结构图。
具体实施方式
以下结合附图详述本发明的实施例。
一种大屏幕发光二极管亮度控制装置，包括模块数据接口电路2和与之相连的PWM信号发生器1，以及依次相连的驱动电路5和发光二极管矩阵6；其特征在于所述矩阵中的发光二极管D的两端并接有适当容值的电容C；其一端还接有续流二极管Dx，并在其另一端与所述续流二极管Dx之间接有适当电感量的储能电感L。所述亮度控制装置的总体结构和储能驱动LED单元基本结构图如
图1、图2和图3所示。
图3还示出所述模块数据接口电路2和PWM发生器1之间，还设置有模块数据运算单元3；所述模块数据运算单元3还与存有本模块像素点亮度差异值或修正值及的存储器4相连。图4所示为图3所述亮度控制装置模块的电路连结图所述发光二极管D的正端或负端可连接受控三极管；该三极管的控制极接PWM信号。通常，每个模块的发光二极管可分成多组，每组由一只三极管驱动。
在一种实施例中，所述受控三极管采用双极型半导体管TR1；所述发光二极管D串接在其集电极回路或发射极回路中。如图5的5-1至5-4所示。
在另一种实施例中，所述受控三极管采用场效应三极管TR2，所述发光二极管D串接在其源极或漏极回路中。如图6的6-1至6-4所示。
本储能驱动式方案的基本电路见
图1、图2。当开关闭合即有输入脉冲时电源通过电感L向发光二极管D供电，同时向C充电并向L中储能；当开关断开即输入为零时L中的能量通过Dx继续向D供电，同时向C充电；当L中储存的电能耗尽时，C中充满的电能可继续向D供电，直到下一个周期开始。发光二极管D上得到的功率，取决于每个周期中开关闭合时间的长短，即开关闭合的占空比。只要C的容量足够大发光二极管D两端基本上近似于直流供电，避免了普通PWM驱动法由于瞬间发光而带来的亮度受限的问题。由于LED得到的功率主要取决于供电电压和L的电感量，以及开关的占空比，与LED的正向压降关系较小，因此省略了限流电阻，提高了效率。
附图4是一个8×8模块的控制电路的一种具体实施例。
图4中J1A是图像信号输入接口，图像信号采用8位并行传输，包括时钟信号CLK、数据使能信号DE、行同步信号H-SYNC和场同步信号V-SYNC。J2A是级联信号输出接口，将图像信号传给下一个模块。U1和U3型号为74LS244，是线驱动器用以增强信号的传输能力。U2型号为XC95144，是Xilinx公司的CPLD，用来作数据锁存和PWM信号产生。U4型号为TS87C52X2是Atmel公司的8051系列单片机，用作将图像信号与误差信号作补偿运算。误差信号存在U5中。U5是通用串行EEPROM 93C56，共有256个字节的存储空间，用以存放192个发光二极管组的误差信号。
此外，电路上还留有一个调整接口CON4。它是用来在工厂进行LED补偿调整时将误差数据存入U5中而设的。当模块每次加电后MCU U4在初始化后读出U5中的数据，存入片上RAM中，实时地与U2收到的数据进行运算，并将运算结果传回U2。
所述的储能驱动式基本电路可由图5、图6中的几种具体电路来实现。其中，图5-1、5-2的储能驱动式发光二极管单元接在三极管集电极回路中，图5-3、5-4的储能驱动式发光二极管单元接在三极管发射极回路中；而图5-1、5-3的储能电感L接在发光二极管D的阳极，图5-2、5-4的储能电感L接在发光二极管D的阴极。图6中受控三极管采用场效应三极管，接法与图5中类似。
在LED大屏幕实现方案中，如果每个像素的储能电感、电容的参数离散，或LED本身的发光效率存在差异，会使屏幕上不同像素之间出现亮度不一致，在视觉效果上会表现为色斑、白场一致性不良等缺陷。针对这一问题，可采用存储计算式像素点亮度修正方法加以解决。
一般的LED超大屏幕显示屏的结构是首先由几十个到几千个LED加驱动电路组成模块，再由模块拼装成整块显示屏。模块一般是在工厂内完成组装、老化、测试，而拼装是在现场完成。
存储计算式像素点亮度修正方法是在每个模块上加入一个存储器4，可采用PROM、EPROM、EEPROM、FLASH MEMORY等，用以记录每个像素的亮度差异的数据或其修正值，将记录的数据与要显示的亮度数据在模块数据运算单元3进行运算，补偿像素的亮度差异，然后驱动LED，得到更加符合要求的显示效果。
在模块生产的过程中，通过测试采集亮度差异数据或修正值，存入存储器中。即产成品的模块即是补偿过的模块，直接拼装即可达到良好的效果。特别是经过一段时间的使用，某些像素出现老化，亮度变化，同样可借助存储计算式像素点亮度修正方法，现场对存储器中的数据进行更新，使各像素的亮度达到一致，且提高功效。
试验证明，采用储能式驱动方法对响应时间基本不会有影响，也不会产生滞后和拖尾现象。
从理论上说采用储能式驱动方法，由于L、C元件的作用，相比传统的驱动方式，响应时间是会慢一些，但在LED超大屏幕显示屏的实际应用当中，这种响应时间的延长对于显示效果不会造成影响。
我们知道，人眼的视觉暂留时间一般是15毫秒左右。如果一台显示设备的响应时间超过15mS人眼就会有感觉，如果响应时间超过25mS，在显示动态图象时就会明显感觉到拖尾现象。在LCD显示设备中由于液晶屏本身的限制，响应时间大多在25mS以上，有的甚至在40mS以上，因此人们在用液晶显示器观看动态图象时，会看到明显的拖尾。而上一代的显示设备CRT显示器，由于响应时间在10mS以下，就不存在拖尾现象。
显示设备的响应时间是由发光体的响应时间和驱动电路的响应时间决定的，LED本身的响应时间在μS级，不存在问题；由于LED超大屏幕显示屏的扫描驱动是在每一个模块中完成的，而每个模块驱动的像素数量有限，因此对各像素扫描的刷新频率非常高。以8×8点阵的模块为例我们采用8列并行行扫描的方法驱动，假设PWM的点时钟是100MHz，采用R、G、B每色10Bit的色彩深度，则每行的一个PWM周期是1024/100×106＝10.24μS每个模块的扫描周期是8×10.24μS约82μS，也就是说，以传统的PWM驱动方法驱动的LED显示屏响应时间可以作到82μS。采用储能式驱动方法后，为了使LED上得到的电流更加平稳，我们将储能元件的时间常数设定到扫描周期的10倍，那么我们仍可以得到820μS的响应时间。如果我们采用8×16或16×16点阵的模块，响应时间仍可以作到1.64mS。
因此采用储能式驱动方法而造成响应时间的微小延长，不会对显示效果造成影响。
如前所述，采用本发明后，第一可使采用PWM驱动方法的现有LED显示屏的亮度提高，改善观看效果。第二可使用低一级的LED达到高级LED的效果，节省成本。第三可提高显示屏的电源使用效率，节省能源。第四减少发热量，提高可靠性和使用寿命。第五亮度调整特别是使用一段时间后的亮度调整极为方便，可避免逐点调整元件，从而提高功效。
权利要求1.一种大屏幕发光二极管亮度控制装置，包括模块数据接口电路(2)和与之相连的PWM信号发生器(1)，以及依次相连的驱动电路(5)和发光二极管矩阵(6)；其特征在于所述矩阵中的发光二极管D的两端并接有电容C；其一端还接有续流二极管Dx，并在其另一端与所述续流二极管Dx之间接有储能电感L。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于所述模块数据接口电路(2)和PWM信号发生器(1)之间，还设置有数据运算单元(3)；所述数据运算单元(3)还与存有本模块像素点亮度差异值或修正值及相应地址的存储器(4)相连。
3.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于所述发光二极管的正端或负端连接受控三极管；该三极管的控制极接PWM信号。
4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于所述受控三极管是双极型半导体管TR1；所述发光二极管D串接在其集电极回路或发射极回路中。
5.根据权利要求3所述的装置，其特征在于所述受控三极管是场效应三极管TR2，所述发光二极管D串接在其源极或漏极回路中。
专利摘要一种大屏幕发光二极管亮度控制装置，按PWM控制方式分时供电，以及按照输入信号扫描；该大屏幕分模块工作，图像信号经数据接口向每个模块传送，模块上的PWM发生器将图像信号转换成PWM信号，通过驱动电路以扫描的方式向发光二极管供电；包括模块数据接口电路(2)和PWM信号发生器(1)，以及驱动电路(5)和发光二极管矩阵(6)；尤其是所述矩阵中的发光二极管D的两端并接有电容C；其一端接续流二极管Dx，并在其另一端与所述续流二极管Dx之间接储能电感L。本方法及装置通过储能元件和存储计算式像素点亮度修正方法控制、增强LED亮度，降低了对LED管的筛选要求及成本。
文档编号G09G3/32GK2567720SQ0225735
公开日2003年8月20日 申请日期2002年9月18日 优先权日2002年9月18日
发明者王晓峰 申请人:王晓峰
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