原创 LED扫描显示屏使用传统PWM驱动芯片的迷思

LED显示屏在近十年的蓬勃发展，加上摄像器材技术的大幅提升，各家显示屏厂商无不投入大量精力于高端显示屏的研发，为满足此波创新浪潮中高灰度及高刷新率的需求，愈来愈多厂商将目光转移到PWM驱动芯片，利用PWM驱动芯片内建数字电路的特性，处理大量复杂的影像数据并转换成恒流输出以驱动LED，减轻了控制器的负荷量，并且更轻易地实现高端显示屏中对于灰度及刷新率的严格要求，同时也大幅提升了LED利用率且提高了显示屏的亮度。但是在为数众多的扫描驱动显示屏需求中，为了实现超高画面刷新率，传统PWM驱动芯片也遭遇到相等程度的阻碍，传统PWM驱动芯片利用脉波宽度调变，在一个画面周期中，将恒流输出波形依据灰阶数据大小平均打散以提高画面刷新率的技术，在扫描驱动显示屏上也完全发挥不了预期作用，本文将深入探讨传统PWM驱动芯片在扫描屏中的种种现象。

一. 适应性脉波密度调变(APDM)技术

Ferry-Porter定律指出，人眼在观看脉冲光时，随着脉冲频率的提高，会到达一个临界点，超过这个临界频率，人眼将感觉脉冲光是连续的，即不会有闪烁现象。此临界频率又和背景亮度成正比，即亮度愈高，画面刷新率就必须愈高，人眼才不会感觉到显示屏在闪烁。因此，适应性脉波密度调变(APDM)技术就因应而生。此技术利用侦测灰度数据的大小，在低灰度时，维持足够的画面刷新率，以减少恒流切换造成的亮度损失；在高灰度时，增加平均打散段数以提高画面刷新率，可有效提升质量避免画面闪烁。明阳半导体的MY9262驱动芯片即是采用此技术，运用于静态驱动显示屏时，可有效将16比特灰阶画面的刷新率提升至15,625Hz。

图一. 适应性脉波密度调变技术

二. 扫描屏使用传统PWM驱动芯片的迷思

<一> 恒流打散技术可提高刷新率？

将恒流输出波形平均打散以提高画面刷新率的APDM技术运用在动态驱动扫描屏上，完全无法发挥预期的高刷新率效果，而且还会因为打散恒流输出波形增加电流切换次数，导致灰度损耗，電磁干擾增加。以1/4扫描驱动及12比特灰阶影像为例，每个扫描行驱动的LED只被点亮4096*GCK时间，只占了一个完整画面周期的1/4时间，其余时间因为保留给其它扫描行数使用，处于完全关闭的状态。因此，就算使用打散恒流波形技术，仍无法提高刷新率。明阳半导体MY9262可选择传统不打散PWM恒流输出，在相同刷新率表现下，大幅降低电流切换造成的灰度损耗且降低電磁干擾。

图二. 1/4扫描驱动且12比特灰阶画面的恒流输出波形

图三.恒流切换造成灰度损耗

<二> 增加控制卡数目来减少驱动芯片级联颗数，可提高刷新率？

扫描屏使用传统PWM芯片时，灰阶数及灰阶时钟GCK即决定画面周期，级联芯片数目只和资料时钟DCK有关，无法藉由减少驱动芯片级联颗数，提高画面刷新率。级联颗数由下列关系定义：

数据位x恒流输出通道x资料时钟时间(T_DCK) x级连颗数(N)=画面周期

以MY9262为例, 当GCK=DCK=16MHz, 12比特灰阶画面

16bits x 16 x (1/16MHz) x N = 4096 x (1/16MHz)

N = 16颗(最大值) <= 当级联颗数少于最大值时，旧画面尚未完成，仍无法更新画面。

三. 扫描行数、灰阶时钟频率及灰阶设定相对于画面刷新率的关系

画面刷新率 = GCK频率 / (灰阶总数*扫描行数)

四. 提高刷新率的建议方案

依据上述说明，画面刷新率只与扫描行数、灰阶时钟GCK及灰阶数有关。因此，可藉由下列三个方法提高画面刷新率：

1﹒提高灰阶时钟GCK： 增加GCK频率，一个完整画面周期即可缩短，在相同时间内，可重复更多次完整画面，刷新率即可增加，但GCK的提升会受限于现有硬体的速度限制。

2﹒降低画面灰阶数：牺牲画面灰阶数，可以缩短完整画面周期，提高画面刷新率。

3﹒画面资料分组： 将原本高灰阶影像切换成数祯低灰阶影像，依据扫描行数交错显示，即可提高刷新率，例如：16比特灰阶画面，切割成16段12比特画面，将可刷新率提高16倍，从原本60Hz提高到960Hz。

图四.采用数据分组提高画面刷新率

五. 结论:

传统PWM驱动芯片在扫描屏中，可以利用(1)提高灰阶时钟GCK、 (2)降低画面灰阶数、(3)画面数据分组等方法提高画面刷新率，并采用传统不打散PWM恒流输出解决电流切换造成的灰度损耗并降低电磁干扰，制造出高质量的扫描驱动显示屏，明阳半导体MY9262将是最佳的PWM驱动芯片选择。但也因为超高刷新率的需求日益增加，一种新型态的PWM驱动芯片也因应而生，明阳半导体以专业与创新的精神，研发出全球最优异的驱动芯片解决方案-MY9268，可使8扫驱动且16位灰阶显示屏的画面刷新率大幅提升至16,000Hz。