一种小点间距LED显示屏画面偏色的补偿方法

冯 奕，邢向明，周 杨

（中科芯集成电路有限公司，江苏无锡 214072）

1 引言

近年来，随着LED显示屏技术的不断发展，市场需求量不断增大，LED 大屏幕已经在商场、火车站等公共场所随处可见，用于显示图片、文字、视频等信息[1]。

LED显示屏是由发光二极管和显示驱动芯片组成的大尺寸平板显示器件。显示驱动芯片用于接收来自系统的数字图像信息，驱动显示屏上的二极管点亮，实现图像或视频等的显示，故而显示驱动芯片对显示屏的显示效果有着决定性的作用。分辨率上，对于一般的LED显示屏来说，由红绿蓝三个LED 组合成一个像素，两个像素之间的距离即LED显示屏在单位面积下的分辨率。目前，对于间距小于2.5 mm 的LED显示屏，业内普遍称之为小间距LED显示屏。对于此类小间距显示屏，由于像素数量很多，而驱动电路板面积有限，所以必须采用一颗芯片驱动多行的设计，称之为多行扫LED 驱动。

多行扫的设计减少了所需驱动芯片的数量，节约了成本，但该设计也会带来许多问题。首先带来的便是刷新率下降的问题[2]。刷新率是一块显示屏上所有像素点被点亮一次所需时间的倒数，而多行扫意味着每一行的LED 都要依次显示，行数越多，刷新率就越低。因此，多行扫设计要做到高刷新率就必须提高工作频率[3]。除了刷新率的问题之外，多行扫的小间距显示屏还有许多显示效果上的问题，其中就包括了白平衡偏色和首行偏暗。如今，市场对小间距LED显示屏的显示效果要求越来越高，该问题对最终显示效果至关重要。

本文针对白平衡偏色和首行偏暗两大问题，设计了一种可以同时解决以上两种问题的电路。该电路采用多级可调的补偿办法，补偿电路结构简单、面积小、精度高、适用性广泛。

2 问题的成因

2.1 白平衡偏色

白平衡偏色即显示低灰图像时，红绿蓝三色中红色二极管的导通电流相较于绿蓝两色二极管偏大，所以整体图像会偏红导致白平衡偏色。所谓低灰图像就是LED 导通时间远小于关断时间情况下的图像，表现为浅绿、浅蓝、浅红等。

在低灰图像中，尤其是在高行扫高刷新率的情况下，LED 导通时间非常短，往往只有几百纳秒甚至几十纳秒。在这种导通时间下，不同颜色LED 上的寄生电容大小对导通时间的影响就变得极其显著[4]。更糟糕的是，由于工艺的波动，相同批次相同颜色的LED，其寄生电容本身也会有较大的波动。

低灰图像中需要对蓝色和绿色进行补偿。补偿方式是对绿蓝两种颜色的二极管在低灰图像下的导通时间都给以一定程度的加长，减小色偏的程度。由于绿蓝两色在低灰图像下有不同程度的色偏，所以需要的补偿程度不同，其中绿色补偿程度稍大，蓝色补偿程度稍小，红绿蓝三种二极管在方波驱动信号下的导通电流差异如图1 所示，可以看出红色二极管的导通电流与驱动信号相比于绿蓝两色二极管延迟最小，其次为蓝色，绿色差异最大。

图1 红绿蓝二极管导通电流对比

2.2 首行偏暗

首行偏暗即多行扫第一行的LED 在显示效果上会比其余行偏暗。二极管所在PCB 板上的布线之间会产生寄生电容，由于如今LED显示面板在往小点间距的道路上不断发展，PCB 走线间的距离越来越小，导致了板级寄生电容越来越大，同时LED 本身也有一定的寄生电容，所以寄生效应会非常明显[5]。寄生电容所在位置如图2 所示。

图2 寄生电容所在位置

当第一次所有行扫结束后，由于每一行二极管导通时都会对列上的寄生电容充电，所以当第二次行扫开始时，第一行二极管上的压降Vrow－Vcolumn会比正常值低，第一行显示结束后，列寄生电容上的电荷释放，第二行之后的二极管上压降Vrow－Vcolumn恢复到正常值，所以第一行相对于其他行显示效果就会偏暗，首行偏暗现象如图3 所示。

图3 首行偏暗现象

为了改善首行偏暗的问题，本文提出了两种解决办法。第一种是在第一行点亮前将列寄生电容上的电荷释放，使列电压Vcolumn降低，这样第一行上的二极管压降Vrow－Vcolumn就不会偏低，导通电流也恢复正常。第二种办法是对第一行的二极管导通时间进行补偿，增加第一行二极管的导通时间，这样也可以提高图像的亮度，视觉上首行也不会偏暗[6]。考虑到第一种办法需要增加额外的泄放电路，增加了电路的复杂度，扩大了版图的面积，而第二种办法可以与低灰补偿结合在同一个电路上，通过不同的控制信号加以区分，无需额外设计电路，所以综上选择第二种办法[7]。

3 电路结构

根据第2 节的分析，对白平衡偏色和首行偏暗的补偿电路可以由同一个电路来实现，要求该电路可以将两种不同的补偿区分开来，具有补偿等级可调的功能，补偿可调电路由一个MOS 管阵列提供。为满足以上需求，所设计的电路由补偿电路和提供补偿所需参考电压的MOS 开关选通阵列组成[8]，补偿电路如图4所示，MOS 开关选通阵列如图5 所示。

图4 补偿电路

图5 MOS 开关选通阵列

在补偿电路中，PWM 为待补偿的LED 驱动信号，EN1定义为白平衡的使能信号，用于调节所有非首行的白平衡，EN2定义为首行偏暗的使能信号，控制所有情况下的首行偏暗调节，包括低灰条件下的首行。VREF1和VREF2分别代表EN1和EN2两种补偿的参考电压。

提供EN1和EN2补偿等级的电压信号由一个电阻和MOS 管组成阵列产生，每一个电阻阻值都相同，总计32 个电阻提供了32 种参考电平，VREF2可输出最低值到中间值的16 种电平之一，由Reg1<3:0>控制，当Reg1=0000 时，输出中间电压，当Reg1=1111 时，输出最低电压。VREF2可输出最低值到最高值的32 种电平之一，由Reg1<8:4>控制，当Reg1=00000 时，输出最高电压，当Reg1=11111 时，输出最低电压。控制算法如下：

首行偏暗由VREF2进行调节，但在低灰条件下还需加入VREF1的调节，因此将两者原来的各4 位调节求和合并为一个5 位调节FST<4:0>，FST<4:0>即计算后赋给控制信号Reg1<8:4>的值。由式（1）计算VREF2最终选择最低电压到中间电压范围内的值，由式（2）计算VREF2最终选择最低电压到最高电压范围内的值。

首行偏暗调节分为以下两种情况：

1）当仅在非低灰情况下调节首行时

2）当在低灰条件下调节首行时

低灰情况下的非首行打开，仍然用VREF1的Reg1<3:0>进行调节。非低灰情况下的非首行不存在画面偏色问题，无需对PWM 进行补偿。

图4 中逻辑门I1的真值如表1 所示。

表1 逻辑门I1 真值表

I2的电路结构如图6 所示，该电路为一个基本的电流镜结构。BIAS 可以由不同偏置电路给出，本文不多做介绍。当EN 信号为低时，电路不工作，无输出电流。当EN 信号为高时，由PD 信号控制是否输出电流，PD 为高则不输出电流，PD 为低则对外输出电流。

图6 I2 电路结构

放大器采用基本的两级放大结构。由于此处放大器起到比较作用，两级放大可以提供足够的增益；同时，考虑到PWM 信号频率较低，对放大器的稳定性要求不高，所以该放大器没有加上补偿电容。由于被补偿的是PWM 的低电平部分，所以需要在放大器的输出端接反相器，反相器已经整合在AMP 模块当中[10]。

整体电路的工作逻辑如下：当EN1和EN2都为低时，EN 为低，Y2没有输出，PWM_OUT 跟随PWM，也就是PWM 不做任何补偿直接输出。当EN1和EN2其中有一个为高时，EN 端为高，且当PWM 输入为低时，则Y2输出为低，MN1关闭，放大器的负端仅由C1和I2的输出电流控制，使得放大器负端的电压缓慢升高，直到与参考电压相等时，放大器的输出转换为低。当EN1和EN2其中有一个为高时，EN 端为高，且当PWM 输入为高时，I2由于Y2为高被关闭，同时，MN1被打开，C1上的电荷通过MN1被泄放掉。参考电压VREF1和VREF2分别由EN1和EN2控制输入到放大器的正端。参考电压越高，放大器的输出转换为低所需的时间越长，PWM_OUT 信号的低电平时间越长，换言之，提供了不同的补偿时间。补偿时间t 为：

其中RMP1和RMN1为两个MOS 管的输出电阻，电流源的输出电阻较大可忽略。A 为放大器的增益，VREF为EN1和EN2选通的VREF1和VREF2。由于VREF1和VREF2为多档可调，所以补偿时间也相应可调。

4 结果验证

4.1 白平衡补偿结果

以下为使用ADE 的仿真结果和实物测试的显示效果。在开启白平衡补偿后，PWM 驱动信号的低电平时间得到了加长，这样就使得二极管的导通时间加长，导通电流的有效值增加，起到了对蓝色和绿色二极管的补偿效果。不同补偿等级下驱动信号的脉宽，也就是LED 被点亮的时间如表2 所示，可以看出脉宽在补偿等级从0001 到1111 的递进较为均匀，在0001时脉宽为545 ns，每增加一档，脉宽时间减小大约为5 ns，在1111 档时脉宽为465 ns。可以根据实际补偿效果来确定补偿等级。图7 为开启白平衡补偿前后的效果对比图，可以看出左边显示效果明显偏红，右侧开启后显示效果较好。补偿前后的开启波形如图8、9 所示，开启时间被补偿了约88 ns，与理论值的最大补偿时间基本一致。

图7 白平衡补偿关闭（左）和开启（右）

图8 补偿前的开启波形

表2 不同补偿等级下驱动信号的脉宽

图9 补偿后的开启波形

4.2 首行偏暗补偿结果

实际的显示效果如图10 所示，可以看出开启首行偏暗补偿后，LED显示面板上已经没有首行比其他行更暗的显示问题了。

图10 首行偏暗补偿效果

5 总结

本文介绍了一种可以同时解决白平衡偏色和首行偏暗问题的电路，并且该电路对这两种问题的补偿效果是多等级可调的。仿真验证和实际显示效果证明了该电路是切实有效的。同时，该电路结构十分简洁，成本低，适合绝大部分的多行扫设计LED 驱动。