1.概述
大屏幕LED是集光电子技术、微电子技术、计算机技术和视频技术为一体的高科技产品，以其变化丰富的色彩、图案、实时动态的显示模式，将信息、文字、图片、动画及视频等信息显示出来，成为信息传播的划时代产品。它与广告牌、灯箱、霓虹灯等传统宣传媒体比较，具有以下优势：①可实时播放任意信息，每秒钟高达60幅图像；②图像清晰、视觉大、功耗低、寿命极长、性能稳定。目前已在铁路、民航、体育场馆、会议厅堂、高速公路、广场、大型商场、银行、证券市场以及多种监控调度中得到了广泛的应用。
无论用LED制作单色、双色或三色屏，欲显示的图像则需要构成像素的每个LED的发光亮度都必须能够调节控制。LED亮度的调节有两种控制方法，一种是改变流过LED的电流，一般LED管允许连续工作电流在20mA左右，除红色LED有饱和现象外，其他LED亮度基本上与流过的电流成比例；另一种方法是利用人眼的视觉惰性，用脉宽调制方法实现灰度控制，即周期性改变脉冲宽度（占空比），只要重复点亮的周期足够短（即刷新频率足够高），人眼即感觉不到发光像素在抖动。脉宽调制更适合于数字控制，在普遍采用微机来提供LED显示时，大部分LED屏都是采用脉宽调制控制灰度等级的。灰度等级越高，显示的图像就越细腻，色彩也越丰富，相应的显示控制系统也越复杂。彩色LED屏一般为256级灰度的图像，颜色过渡已十分柔和，对于整个LED屏来说，显示亮度一致性和功耗是非常重要的参数。LED驱动芯片基本决定着驱动电流的精度和通道一致性，选择一种驱动芯片即显得非常重要。本文主要介绍Catalyst半导体公司针对大屏幕LED面板市场推出的CAT4016驱动芯片。
CAT4016内部有16个精确匹配的微恒流源，可以通过外部电阻RSET设置流过LED通道的电流，其流过LED的电流为流过电阻RSET的50倍：每个通道的恒流源都可以独立感知电流和LED上的压降。芯片内部框图如下图示，在最大电流和电压条件下，每个LED通道最大压降最低可降至0.4V，该特性提高了LED驱动的电源效率，同时也解决了芯片的散热问题。
CAT4016上电后，一个低电压锁定电路将清除所有锁存器和右移寄存器，并设置所有输出为关闭模式。当超过低电压范围时，用户即可以进行编程。LED每个通道输出延时17ns，16个通道共延时250ns，在延时时锁存LATCH是有效的。该延时通过连续的进行开关可以阻止过流，最小化涌入的电流，因此无需采用外部设备，内部通过小的旁路电容和上拉、下拉电阻，即可设置BLANK和LATCH的关闭状态。
2.芯片接口方式
一个高速4线串行接口用于编程控制每一个LED的开关。该接口包含了一个16位的串转并移位寄存器和一个16位的锁存器。通过输入脚SIN和CLK编程访问串转并移位寄存器。在CLK的每一个上升沿，数据通过移位寄存器从SIN连续移入，同时通过SOUT移出到级连的下一个设备SIN输入口。当LATCH为上升沿时，串转并移位寄存器的数据内容被送进锁存器；当LATCH为下升沿时，数据被保存在锁存器中不能改变，并与串转并移位寄存器无关。当BLANK为高电平时，关闭所有的LEDs；反之，LEDs受锁存器控制。
3.设计注意要点
①恒流特性：CAT4016内部由独立的恒流源控制，其芯片任一通道的电流差异得到控制，即使LED膜组有所偏差，电流的一致性也能得到保证。
②散热问题：因在整个恒流范围内，每个LED通道的最小压降可降到0.4V，芯片上的功耗大大降低，散热无需要做特别的处理。
4．大屏幕LED系统框架设计
LED的控制系统通常由主控箱、显控装置和若干块扫描板三大部分组成。主控箱从计算机的显示卡中获取一屏像素的各色亮度数据，然后重新分配给若干块扫描板；显控装置主要对各扫描板显示进行统一协调，完成图像的同步扫描；扫描板负责控制LED屏上的若干行（列），每一行（列）上LED的显控信号则通过串行方式传送。
串行传送显示控制信号的方式有两种：一种是扫描板上集中控制各像素点灰度，扫描板将来自控制箱的各行像素的亮度值进行分解（即脉宽调制），然后将各行LED的开通信号以脉冲形式（点亮为1，不亮为0）按行用串行方式传输到相应的LED上，控制其是否点亮。该方式使用器件较少，但串行传输的数据量较大，因为在一个重复点亮的周期内，每个像素在16级灰度下需要16个脉冲，在256级灰度下需要256个脉冲。由于器件工作频率限制，一般只能使LED屏做到16级灰度。本文采用第二种方式，扫描板框图如下图所示，行驱动采用CAT4016控制，通过CAT4016的串口移入控制数据，控制LED的负极；列驱动通过74HC154将控制信号进行解码，通过TD62M8600F增强驱动能力驱动LED的正极。
以该框图为例，扫描板（每个扫描板为16行×16点/行）刷新分为16份时间片，每份时间片实现一行的扫描，每行时间片又分为15个子时间片用来实现灰度控制，其中灰度最暗的点点亮0个子时间片，灰度最亮的点点亮15个时间片，由此实现占空比为O/15～15/15共16个级别的平均电流控制，从而实现16阶的灰度显示。假设每个子时间片取得52Us的扫描时间，一方面考虑屏的闪烁问题，15个子时间片构成一个单行扫描的时间片为780μs，16个单行扫描时间片又构成一次全屏的扫描12.48ms，则刷新频率约为80Hz，在最高亮度下也可以保证不出现行闪的现象；另一方面，考虑CAT4016串行输出速率，每个子时间片为52μs，共有8片，16个通道的CAT4016，所以移出并锁存一组数据需要最小要0.41μs，即串口速率大约2.5MHz，而CAT4016完全可以实现高达25MHz的串口速率。在实际设计中，一方面，也可以用八块扫描板的行驱动LED的负极共用同一个CAT4016，并分时控制列驱动的改进，实现成本的降低，另一方面，通过修改扫描板串行传输的实时开关信号为8位二进制的亮度值，大大降低串行传输频率。更方便地实现256级灰度控制，关于以上两方面的具体实现本文不在此详述。
综上论述，采用CAT4016设计的大屏幕电路简单、易使用、恒流性能好，已广泛应用于大屏幕LED，其优良特性已在客户的实际应用中得到验证。
本文关键字：大屏幕 显示电路-显示屏，单元电路 - 显示电路-显示屏
