浅谈双行双稳态LED显示单元的设计与研究

　　LED显示屏（LED display）：又叫电子显示屏或者飘字屏幕。是由LED点阵组成，通过红色或绿色灯珠的亮灭来显示文字、图片、动画、视频，内容可以随时更换，各部分组件都是模块化结构的显示器件。通常由显示模块、控制系统及电源系统组成。显示模块由LED灯组成的点阵构成，负责发光显示；控制系统通过控制相应区域的亮灭，可以让屏幕显示文字、图片、视频等内容，恒舞动卡主要是播放动画的；电源系统负责将输入电压电流转为显示屏需要的电压电流。

现有LED显示屏出于简化驱动电路的考虑，几乎都采用了扫描驱动方式，在一个扫描周期当中，导致显示屏的主观视觉亮度下降，使得LED显示屏在户外使用时出现发光亮度不足的问题。解决LED显示屏亮度不足的方法基本局限于以下3种：

1）单纯地提高驱动脉冲电压，增加LED器件的瞬时发光亮度，但这将缩短发光器件的使用寿命，并且能量效率较低；

2）不断研制和应用高亮度甚至超高亮度LED器件；

3）通过缩短扫描周期或采用静态锁存方式驱动来提升显示屏亮度。尤其是在室外屏的制造中，高端产品均采用静态锁存驱动，在要求不高的场合则采用缩短扫描周期的方式。对于一个大规模的显示屏来说，无论缩短扫描周期还是采用静态锁存驱动，其后果都是驱动电路规模的显着增加。

本文从“塔尔博特-普拉窦定律”入手，将光学双稳态特性引入LED显示单元电路，研制了一种双稳态LED单元组成的双稳态LED屏。LED显示屏可以显示变化的数字、文字、图形图像；不仅可以用于室内环境还可以用于室外环境，具有投影仪、电视墙、液晶显示屏无法比拟的优点。LED之所以受到广泛重视而得到迅速发展，是与它本身所具有的优点分不开的。这些优点概括起来是：亮度高、工作电压低、功耗小、小型化、寿命长、耐冲击和性能稳定。LED的发展前景极为广阔，目前正朝着更高亮度、更高耐气候性、更高的发光密度、更高的发光均匀性，可靠性、全色化方向发展。

发光亮度强：在可视距离内阳光直射屏幕表面时，显示内容清晰可见。超级灰度控制 具有1024-4096级灰度控制，显示颜色16.7M以上，色彩清晰逼真，立体感强。静态扫描技术：采用静态锁存扫描方式，大功率驱动，充分保证发光亮度。自动亮度调节：具有自动亮度调节功能，可在不同亮度环境下获得播放效果。

　　1 双行双稳态LED显示单元的设计

　　1.1 双行双稳态LED电路结构及工作原理

双行双稳态LED单元电路，它把触发这个功能由端口V1和V2来完成，而关断、保持这两个功能由端口Vcc来完成。下面具体说明双行驱动LED单元电路的工作原理。

其中BG1和BG2构成一个等效晶闸管，它由关断到导通，有两个必要条件：Vcc端有正向电压，节点a的电压幅值足够大。因此，可在端点a提供一个触发电压，使等效晶闸管触发，触发脉冲过了之后，靠Vcc提供的电压进行保持。

　　具体实现过程如下：

1）开启扫描行的被选通单元：在端口V1和V2同时加上Von，则节点a的电压值；

若适当选择R1（R2）、R3，且R3》N使节点a的电压Va≈Von>Va’，可使其触发；

2）保持非选单元的关断状态：使端口V1和V2中至少有一个电压为零，则即使另一个为Von（设端口V2接地），用作触发等效晶闸管的节点a的电压值；

若适当选择R1（R2）、R3，且R3》N，且使节点a的电压，可使其不触发；

3）保持非扫描行的已选通单元的开启状态：触发过后，LED单元靠端口Vcc所供的保持电压Vhold来保持点亮；

4）关断已选通单元：当从端口Vcc撤去保持驱动电压Vhold的时候，LED则会关断。

　　1.2 双行驱动LED单元电路正向反转电压区间分析

对于双行驱动LED单元电路来说，要想使已经点亮的LED单元关断（清零），只要使Vcc提供一个零电压即可；要想使LED实现保持，则提供一个稳定保持电压Vhold即可。

R1（R2）、R3的选择不仅要使V1、V2施加电压值为Von时，LED单元能选通，而且在V1、V2其中有一个为零，另一个为Von时，LED单元应为非选状态。通过理论计算得出LED单元的正向反转电压区间，即Von的取值区间为：

测得在双行双稳态LED电路研究中采用高亮度白光LED时BG1和BG2等效晶闸管触发电压为：Va’=2.7 V。在选择正向反转电压Von时，希望采用常规5 V驱动，以简化驱动电路及电源部分的设计和制造，故令正向反转电压为：Von=5V。

另外，考虑电路实际，R1（R2）、R3还应符合以下条件：1）尽量选择大电阻值；2）应尽量使R3》N。

由此综合考虑，一般可以选择R1（R2）=5 kΩ，R3=51 kΩ。

　　2 双行双稳态LED显示屏的驱动

　　2.1 行反相扫描方式

由双稳态LED单元组成的显示阵列具有和传统显示阵列所不同的行列驱动电路。LED显示矩阵只有一个行驱动信号，只需要一套行驱动电压接入控制电路，而双稳态LED显示矩阵有两个行驱动信号。但这两个行驱动信号之间具有固定的合作关系，双稳态LED单元并不需要因为行驱动信号的增加而增加行驱动电压接入的控制电路规模，只需在一套行驱动电压接入控制电路的基础上简单地添加一组反相器即可使两个行驱动电路同时正常工作，行反相扫描结构的工作原理。

“反相扫描结构”上位机输送的行扫描信号及其反相信号被分别用于上下两行的行驱动电路的驱动电压接入控制信号，虚线框内为驱动电压接入电路，逻辑“1”和“0”表示是否为相应行驱动电路接入所需的驱动电压。通过此结构，可在上位机输送一组行扫描信号序列的情况下，为显示矩阵各行的两组行驱动电路取得正确的驱动电压接入控制信号，使显示屏各行有序地工作在各自应处的工作状态下。

　　反相扫描结构的优点在于：

1）不明显增加双行双稳态显示屏的驱动电路规模，仍然只使用一组上位机输送的行扫描信号，与普通的LED扫描驱动电路兼容；

2）清零操作与行扫描选通操作同时在相邻两行进行，这样列显示数据的结构不需要为进行清零操作而插入冗余值占位，使得双行双稳态LED显示屏的显示数据结构以及相应的列驱动机制与普通的LED扫描驱动电路兼容；

3）只需简单改变上位机输送的行扫描信号序列中“0”和“1”的排列情况，即可十分方便地改变和控制LED显示屏的占空比系数，实现双行双稳态LED显示屏与普通LED显示屏之间的占空比性能的平滑过渡。

　　2.2 占空比的控制

一个N行的LED显示矩阵，上位机输送的行扫描信号为N位序列，其中M位为“1”，N-M位为“0”，由于“1”对应的行都处于“清零”状态（其中远离“扫描”行的“清零”行的V1行驱动电路被接入了Von，与其他“清零”行不同，但这并不影响该行的清零工作），全行关断，故显示屏占空比为：。改变行扫描序列中“1”的个数M即可改变占空比。如对于1个8行的显示屏来说，当行扫描序列为“1000 000 0”时，占空比为7／8；而当行扫描序列为“1110 0000”时，占空比即变成5／8。

　　3 双行双稳态LED显示屏的效果评测

为验证双稳态LED显示屏在提升LED显示屏亮度方面的效果，设计了一个16x16的双行双稳态LED显示矩阵，显示屏矩阵结构。

通过实验，让双稳态LED显示屏分别显示3幅不同的图像，对每一幅图像都让双稳态LED显示屏工作在不同的占空比，并测试其对应的ANSI流明值。

显然，实验结果符合塔尔博特一普拉窦定律，在使用相同LED发光器件的前提下，双稳态LED显示屏的亮度较普通扫描驱动LED显示屏可提高N-1倍，与静态锁存驱动显示屏性能相当，并可根据需要改变占空比实现亮度控制。

　　4 结论

结果证明，双稳态LED显示屏相对于传统的扫描驱动的LED显示屏来说，可以明显提高显示屏的主观视觉亮度，使其主观视觉亮度指标达到静态锁存驱动的显示屏水平，同时不明显增加电路规模，大大地扩展了LED显示屏的应用领域。

随着LED原材料市场的迅猛发展，表面贴装器件从2001年面世，主要用在室内全彩屏，并且以其亮度高、色彩鲜艳、温度低的特性，可随意调整的点间距，被不同价位需求者所接受，在短短两年多时间内，产品销售额已超过3亿元，表面贴装全彩色LED显示屏应用市场进入新世纪。为了适应2008年奥运会的“瘦身”计划，利亚德开发了表面贴装双基色显示屏，大量用于训练馆和比赛计时计分系统。在奥运场馆全彩屏方面，为紧缩投资，全彩屏大部分采用可拆卸方式，奥运期间可作为实况转播工具，赛事结束后可用于租赁，作为演出、国家政策发布等公共场合应用工具，通过这种方式可尽快收回成本。

并且采用双稳态LED单元组成的LED显示屏与传统扫描方式驱动的LED显示屏的外围电路完全兼容，只需对双稳态LED显示屏的行列驱动器加入一组反相器，即可以完全沿用以前的设备和产品，故升级成本低。一旦技术成熟，凭借其自身良好的性能和只增加很少投入的成本控制，将十分易于推广。该显示驱动技术与高亮度或超高亮度LED器件搭配，显示效果将大幅度提升。