CN102013225A

CN102013225A - 一种高速高精密led亮度以及色彩的控制方案和控制电路

Info

Publication number: CN102013225A
Application number: CN2010105939408A
Authority: CN
Inventors: 尹登庆; 廖启博; 樊亮
Original assignee: SHENZHEN SKYWOOD SMART OPTO CO Ltd
Current assignee: Huihzhou Kexinda Electronics Co., Ltd.
Priority date: 2010-12-17
Filing date: 2010-12-17
Publication date: 2011-04-13
Anticipated expiration: 2030-12-17
Also published as: CN102013225B

Abstract

本发明涉及一种高速高精密的LED亮度以及色彩的控制方案和控制电路、算法。包括5个部分：单个LED的扫描与数据矩阵；全彩与RGB对应矩阵；亮度控制方程；驱动电流校准、多线段近似与全彩显示矩阵；整体电路方案。本发明的方案可以消除设计与制造过程中的各种误差，达到色彩与亮度控制的高一致性与高精度。尽管使用的电路板的器件精度在1%以下或者更差，而且电路板之间存在各种误差，经过本方案的实施，各个LED、各个LED模组之间的色彩与亮度的误差在0.1%或者更高。

Description

一种高速高精密LED亮度以及色彩的控制方案和控制电路

技术领域

本发明涉及集成电路、LED显示、电路控制领域，特别是针对RGB LED的高速、高精度、高一致性控制。采用通用的MCU对控制电路板，利用先进的生产制造工艺，通过将测试与校准数据进行集成的算法，使用简单的查表与加法运算，达到设计的目的。

背景技术

当前的LED彩色显示方案，将RGB LED的发光效率认为是一致的，或者利用封装设备，将发光效率误差在一定范围内的RGB LED，作为同样的LED来使用；驱动电路板的驱动电流误差认为很小，可以不做考虑；驱动电流与LED的搭配认为是完美的，误差不会放大，从而导致显示的误差能够被察觉。

目前的方式，对于一般的LED显示系统，特别是显示色彩还原度不高，精度要求一般的场合是足够的。但是随着生活水平的提高，以及显示环境的要求不同，原先的方案在未来的显示领域将会被逐步淘汰。新的显示领域要求更高的精度、更快的速度、更好的一致性。其中一致性包含：同样一个显示面板上不同LED之间的一致性、不同LED面板之间的一致性。

如图1A所示，由于现代工业的分工体系，LED显示板和电流驱动板有一家公司设计，在多家企业进行生产和制作，最后进行系统集成。如图1B所示，电流驱动板与3个RGB LED连接，连接关系为：

LED1的R芯片与电流驱动板的R1端口连接，G芯片与电流驱动板的G1端口连接，B芯片与电流驱动板的B1端口连接；LED2的R芯片与电流驱动板的R2端口连接，G芯片与电流驱动板的G2端口连接，B芯片与电流驱动板的B2端口连接；LED3的R芯片与电流驱动板的R3端口连接，G芯片与电流驱动板的G3端口连接，B芯片与电流驱动板的B3端口连接；

LED是电流发光器件，发光的光通量大小由电流大小确定。

3个LED或者单个LED、更多个LED通过一个芯片进行驱动，驱动电流的精度由芯片内部的参考电流确定。

驱动电流的大小由数字控制指令到芯片确定。

传统方法的缺点为：

同色LED的发光效率不一致，而在应用中需要误差在设定单位内，LED经过层层挑选使用，增加了难度和成本。LED一般是按照Bin进行分类，也就是按照Vf数据的不同进行分类，如[3.0V-3.1V]、[3.1V-3.2V][3.2V-3.3V]等。在拿到一个BIN的产品后，或者直接使用，或者按照发光效率的不同，对RGB进行细分。

不同色LED在同样的控制下，发光效率差别比较大。发光效率一般是指LED工作在额定功率下的数据，而不是整个工作区间的数据。RGB LED是工作在整个区间，通过调光实现不同色彩之间的混光，从而达到色彩还原的目的。RGB LED之间的三色转换效率以及每一个LED在整个工作区间上的转换效率是不固定的。

在大面积应用时，由于采用多个芯片，芯片在制造过程中的差异，特别是参考电流的差异，导致多个PCB板上以及每一块PCB板上的驱动芯片输出电流不同。

同样的驱动控制误差，通过RGB LED后的发光误差不是线性关系。恒流驱动时电流脉冲的纹波会造成LED的色温出现小的偏差；电压驱动模式下，驱动的误差会导致发光光通量的成倍变化。

在高精度控制下，需要MCU的内存很大，或者扩展内存的空间很大，无疑增加了成本。按照RGB的亮度变化为【0-255】计算，总的存储空间最少需要16M BYTE。

在特种场所，如空间狭小的情况，由于电路复杂，无法实现。

发明内容

鉴于驱动的不一致性与发光效率的不一致性造成的系统误差，本发明采用高精密的光学测量仪器与高精密电流计作为媒介，获得数字输入与发光输出之间的对应表，从而达到最终光学上的一致性。

针对电流驱动板与LED显示板分立制作的流程，在电流驱动板制作中使用精密电流计进行校准；LED显示板使用高精密扫描电流源与高精密光学测量仪器进行校准。在获得各自的对应表后，利用外部计算机，获得数字输入与光学输出之间的高一致性对应表。

针对电流驱动板与LED显示板集成制作的流程，直接利用数字输入扫描，获得相应的光通量输出之间的关系，利用内插等算法，获得数字输入与光学输出之间的高一致性对应表。

本发明是通过如下方法实现的。

如图2所示为改进的RGB色彩显示系统制作示意图。与当前的方法不同，新方案将测试与校准参数紧密结合在一起，通过校准参数矩阵获得高一致性【以测试仪器本身的性能为基准，一致性以一起本身的误差范围为基准】。当RGB LED显示面板和恒流驱动板分别制作时，RGB LED显示面板使用精密电流源和精密光学测试仪器校准，恒流驱动板使用精密电流源校准；当RGB LED显示面板和恒流驱动板一起制作时，可以直接使用精密光学测试仪器，使用数字输入进行校准即可。

当RGB LED显示面板和恒流驱动板分别制作时，当RGB LED显示面板的输入是电流，输出为彩色光通量；恒流驱动板的输入为数字信号，输出为电流。两个电路板的交集是电流，因此两个电路板以电流测试为基准进行比较，同时，测试使用的2个精密电流源必须经过校准，确保两个精密电流源的一致性。整个流程的操作方法，如图2所示：

制作LED显示板，线性输入扫描获得电流-输出光通量曲线。将RGB LED集成在电路板或者铝基板上，使用精密电流源对逐个LED以及单颗封装LED内的RGB芯片进行线性扫描，获得每一颗LED以及内部RGB芯片的输出光通量数据。

制作电流驱动板，数字输入获得数字输入-电流输出曲线。按照设计的恒流动电路，加挂负载后，利用数字输入进行扫描，获得恒流输出的数据；数字输入的范围以及顺序，按照线性顺序进行，调试认为数组输入的误差【主要是抖动效应】对恒流输出的影响很小，可以忽略不计。

数据录入计算机，计算得到光通量-数字输入矩阵数据。将光通量线性电流扫描表与电流输出数组输入表传送到计算机数据库；计算机参照RGB色彩组合的需求参数，计算得到相应的数字输入-RGB输出光通量对应表。在计算中，应用多折线近似和最小误差的方法，获得数字输入光通量输出对应表。

数字输入-光通量输出对应表写入MCU内存或者扩展内存。需要显示的色彩通过指令发送到MCU，取出对应的数字输入信号得到相应的驱动电流即可。

当RGB LED显示面板和恒流驱动板集成制作时，系统的输入为数字信号，输出为彩色光通量。输出的校准仅需要使用精密光学测试仪器，就能够保证整个系统的一致性。整个流程的操作方法，如图3所示：

制作LED显示板与驱动板，合成一个系统。设计与制作LED显示板以及电流驱动板，连接电路板之间的接口。

数字输入扫描，获得RGB LED的输出光通量数字输入矩阵数据。数字输入逐个对单颗封装的RGB LED以及封装内部的RGB芯片进行线性扫描，获得单个显示板与驱动的数字扫描-光通量数据表。

利用内插和折线近似的方法，获得满足精度要求的输出光通量-数字输入矩阵数据表。数字扫描-光通量数据表录入计算机，计算机参照RGB色彩组合的需求参数，计算得到相应的数字输入-RGB输出光通量对应表。在计算中，应用多折线近似和最小误差的方法，获得数字输入-光通量输出对应表。

本发明的优点为：

色彩显示的一致性高。色彩的一致性，包含单个LED输出的一致性、模组上RGB输出的一致性、整个系统RGB输出的一致性都与测试系统的精度有关，与电路板上的各种部件本身的精度无关。如果测试一起的精度为0.1％，而器件本身的精度为1％，虽然电路板本身的器件很多造成更大的误差，但是整个系统的色彩一致性误差为0.1％。由于整体系统的误差在很小的范围内，因此可以在大面积范围内应用而不会有串色现象。

适合于LED显示板、电流驱动板分立和集成制造两个模式。LED显示板、电流驱动板分立时，以精密电流源为媒介，使得整个系统、单板、单个器件的输出光通量一致性保持在设定的水平；LED显示板、电流驱动板集成时，直接通过数字输入-光通量矩阵以及相关运算，使得整个系统、单板、单个器件的输出光通量一致性保持在设定的水平。

速度高，使用折线近似和查表的方法，得到驱动与输出色彩之间的对应关系。

可以单独控制整体的亮度，而不改变色彩色比例色。

不增加成本，生产效率高。目前的测试仪器已经达到64K/秒的扫描速度，即每秒钟完成16个LED芯片的扫描，对需要100万个像素的LED显示屏而言，生产时间为4天；通过并行应用多台设备，可以进一步降低生产周期。同时，由于不需要对LED进行细致的分BIN处理，或者不需要分BIN处理，可以达到降低原材料采购的难度，缩短采购周期，降低采购成本。

附图说明

图1A：当前的RGB色彩显示系统制作流程示意图；

图1B：当前的RGB色彩显示系统工作示意图；

图2：本发明的RGB色彩显示系统制作示意图-LED显示板与电流驱动板分别制作；

图3：本发明的RGB色彩显示系统制作示意图-LED显示板与电流驱动板集成制作；

图4：驱动电流线性扫描-输出光通量示意图；

图5：数字输入-驱动电流输出校准示意图；

图6：RGB彩色输出光通量配置表；

图7：各种表之间的转换关系示意图；

图8：亮度与色彩一致性保持的数据计算流程示意图；

图9：彩色显示与驱动量化转换示意图；

图10：应用电路示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的内容作进一步的详述。

如图4所示驱动电流线性扫描-输出光通量示意图。输入为高精密的线性扫描电流，输出为LED的光通量，分别以RGB三种进行测量，测量数据以量化后的形式表述。其中R LED的测试曲线可以由多段折线ArBr、BrCr、CrDr、DrEr、ErFr、FrGr、GrHr、HrIr等表示；G LED的测试曲线可以由多段折线AgBg、BgCg、CgDg、DgEg、EgFg、FgGg、GgHg、HgIg等表示；B LED的测试曲线可以由多段折线AbBb、BbCb、CbDb、DbEb、EbFb、FbGb、GbHb、HbIb、IbJb、JbKb等表示。

曲线变化率越高的部分，使用的折线越多来近似。

折线的起点从零开始：零驱动，零输出。

每一个单颗LED封装，以及每一个LED内RGB芯片的折线近似不同。计算机在进行相关运算时，仅需要起点、终点，或者斜率信息即可。

如图5所示数字输入-驱动电流输出校准示意图。数字输入采用PWM或者DAC【Digital-Analog Converter，数模转换器】的输入方式。

数字输入采用2进制数据，其中H000代表输入0，H3FFF代表输入1023。

输出电流与数字输入之间一般存在线性关系，但是每一路的电流输出，其转折点和斜率会不同。因此针对每一路的电流输出，都需要校准。

图中RGB驱动的输出与标准输出之间都存在差异。校准之前，针对同样的数字输入，得到不同的输出电流；校准之后，为了得到同样的输出电流，需要使用不同的数字输入，而此数字输入是按照表的形式进行查表而得。

为了得到20mA的电路输出，RGB三路数字输入分别需要H2BA，H2FF，H31A。

如图6所示RGB彩色输出光通量配置表。此表仅列出了部分色彩输出与相应的RGB三基色搭配之间的关系。

RGB三基色之间的数字关系，指的是RGB三基色的输出光通量之间的比例；此比例系数与一个整数相乘得到的数据，虽然数学意义等同，但是表示的是不同的色彩。RGB【30:30:30】与RGB【120:120:120】是不同的色彩。

由于每一个LED的光通量输出不同，为了能够在量化后，使得整个LED显示面板上的LED，都能够达到指定的色彩，选择整个面板上性能最差，或者在生产和应用历史上性能最差的LED的数据为基准，从而使得每一个LED在光通量输出上有足够余量。

LED的量化是根据测试得到的数据进行的，而RGB三色的发光效率不一样，在同样的电流驱动下，RGB三基色的发出的光通量不同，在应用中以发光效率最差的LED为基准。

一般而言，红光的发光效率最低；而在实际应用中，为了提高整体亮度，绿光的成分最大，占据80％以上。在LED显示面板的制作中，RGB三基色LED在一个封装中的芯片个数不同。为了更高的而亮度，RGB LED一般采用1:2:1的芯片个数；为了更高范围的色彩还原，一般采用2:1:1的芯片个数。

当一个LED封装内RGB芯片的个数不同时，相应的驱动电流是不同的，但是得到输出电流的数字输入的数据是一致的。

在同样的数字输入下，RGB三基色的输出光通量曲线基本重合，则整个LED显示面板的色域越宽，效果越好。

如图7所示各种表之间的转换关系示意图。其中，标准的RGB参数表是得到色彩的基准，而色彩-数字输入对照表是最终的目的。

根据生产工艺的不同，LED显示板与电流驱动板是分别制作的，因此存在2种校准的方式：以精确的电流测量为媒介的校准；集成方式的校准。2种校准的方法，都是借助于先进的测试设备，在生产线上高速进行的。

以精确的电流测量为媒介的校准。使用精密电流源和精确的光学测试设备，对LED显示面板进行测试，得到每一个LED内RGB芯片的输出光通量与扫描电流的关系，其中电流是线性的；使用精密的电流测试仪器，对电流驱动板进行扫描，得到数字输入与电流输出之间的对应表。对电流驱动板的测试数据进行校准，得到输出电流线性增加的特性与LED显示面板的扫描特性一致时，对应的数字输入的数据。以相同的电流为媒介，将RGB色彩输出的光通量与驱动板的数字输入之间建立一个数据表。最后删除之间的电流媒介，得到色彩数字输入对照表，此表的内容写入MCU内存或者扩展内存中执行。

集成方式的校准。将LED显示面板与电流驱动板互联，利用电流驱动板的数字输入，对显示面板的RGB进行线性扫描，直接得到数字输入-RGB色彩光通量输出的对照表；参照RGB最小光通量的数据，对数据进行等比例放大，然后按照最小误差的方法进行数据匹配。

如图8所示亮度与色彩一致性保持的数据计算流程示意图。每一个LED中的RGB芯片，其输出的光通量都不同；在一个显示面板上，存在多个LED。在色彩搭配中，RGB色彩有1600万种，采用RGB【255:255:255】方式。实际上每一个LED的输出流明不同，而量化后的最大光通量比例相同，因此针对不同显示面板、不同封装的LED内的RGB芯片，采用的量化系数是不同的。为了保持最大光通量的一致性，RGB芯片输出光通量中选择最大输入条件下的最小光通量作为量化的基准。实现步骤如下:

1)参照历史数据，设定单个芯片的最小光通量Fmin

2)剔除不满足单个芯片的最小光通量Fmin的显示面板

3)针对第一片显示面板上的第一颗封装LED的第一个芯片，如显示面板1-单颗封装LED1-R芯片截取输出光通量【0-Fmin】区间

4)利用最小误差近似方法，乘以一个系数，量化光通量输出区间到【0-255】；采用就进跟随的方法，确定与光通量量化空间对应的数字输入

5)针对同样面板上、同一颗封装LED上的G芯片，截取芯片输出光通量【0-Fmin】区间，执行步骤4操作。

6)针对同样面板上、同一颗封装LED上的B芯片，截取芯片输出光通量【0-Fmin】区间，执行步骤4操作

7)针对同样显示面板的下一颗LED，执行步骤3、4、5、6。直至本显示面板上的所有LED都执行相关操作。

8)针对其他面板，执行步骤3、4、5、6、7

9)所有面板上的LED都执行同样操作。

10)结束

此步操作，可以针对单个RGB芯片进行，如LED显示屏中，必须针对每一个像素确定其色彩还原与其他像素一致；可以针对一个小区域进行，如液晶电视的LED背光源，保证每一个分区域的光通量与色域一致性即可；可以针对一个整体的显示面板进行，如一个单独的高端照明灯具或者景观照明的设备，保证每一只的光通量与色域一致性，从而保证在工程施工中整个工程的一致性。

如图9所示，彩色显示与驱动量化转换是基于本文的前述工作，继续以下步骤完成。

1)通过历史数据，设定RGB LED的最小输出光通量。最小输出光通量是根据光源厂家的不同、以及不同的型号设定。如表中的R LED数据3.281lm，其他两色【G、B】的数据取与此数值最相近的为参考，如G LED数据为3.279lm，B LED数据为3.282lm。

2)使用校正完毕的数字输入-RGB LED输出光通量表，标出与对应色彩匹配的数字输入，并将此数据量化后的色彩搭配值设定为255。如表中数据，

而

3)针对每一个LED的RGB输出进行量化，得到色彩输出光通量(量化转换)子表的数据。量化的方法是255*相应的数字输入对应的实际光通量/历史数据中的最小光通量(线性扫描后，性能最差的批次的LED在最大的数字输入下的光通量)。

4)对色彩输出光通量(量化转换)子表的数据，找到之相邻的最近整数的数据，标注此数据，并且标注相应的数字输入，得到色彩输出光通量(量化后)子表。

a)参照与相邻整数误差最小的数据进行标注。如针对G LED的量化后数据。

......

与之相邻的整数分别为1、2，则上述对应表在量化后为

......

如果需要得到输出色彩搭配中出现G【001】，则将相应的G的数字输入驱动设置为H001；如果需要得到输出色彩搭配中出现G【002】，则将相应的G的数字输入驱动设置为H004；

b)当量化后的数据出现跳跃时，使用折线近似方法获得相应的数字输入。如表中R LED的输出在量化转换中出现以下数据。

......

量化后出现

......

其中丢失了G【214】的对应数字输入驱动。此时根据以下原则找到相应的对应数据。

人眼的识别色彩速度为25帧/秒，超过此数据，人眼不能够识别；

RGB LED的驱动刷新速率远远高于25帧/秒，如200次/秒；

通过在设定时间内【一般为40ms】，相邻驱动的不同的刷新次次数，得到平均后的色彩显示。

如上表数据所示，按照平均后最接近的光通量，选择最接近G【214】的组合，即[213.964]组合。

意义为：在设定的时间内【40ms】，总共驱动8次【200/25】，其中[H295]驱动4次，[H296]驱动4次，平均效果为得到G【214】的色彩，误差为0.34/214。

H[295]、H[296]的驱动顺序可以多样，但是各自4次驱动的比例保持不变。

RGB LED的驱动刷新速率越高，则可以得到更高精度的折线近似。

驱动的精度，要高于色彩搭配的要求。色彩搭配为RGB【255:255:255】时，驱动的精度要高于9比特，即1/512。

在色彩搭配时，可能出现需要成比例增加亮度，而保持相应的色彩不变的情况。相应的算法如下。

1)设定光通量的混合比例，按照白光混色进行。光通量混合比例F_R∶F_G∶F_B＝1∶4.5907∶0.0601

2)以原先色彩为RGB【15:16:17】为例，增加亮度10倍。

3)增加的光通量为：RGB【15+1＊10：16+4.5907＊10：17+0.0601＊10】＝RGB【25:62:18】

4)利用查表法，找到对应RGB【25:62:18】的数字输入驱动数据。

5)将数字输入驱动数据读出到执行端口，得到相应的色彩显示。

实施例如图10所示，电流驱动板与3个RGB LED连接，连接关系为：LED1的R芯片与电流驱动板的R1端口连接，G芯片与电流驱动板的G1端口连接，B芯片与电流驱动板的B1端口连接；LED2的R芯片与电流驱动板的R2端口连接，G芯片与电流驱动板的G2端口连接，B芯片与电流驱动板的B2端口连接；LED3的R芯片与电流驱动板的R3端口连接，G芯片与电流驱动板的G3端口连接，B芯片与电流驱动板的B3端口连接。

在电流驱动板上，驱动芯片内部的指令处理器IPU【指令处理器，Instruction Process Unit】接受外部指令，IPU与3个映射表连接：LED1映射表、LED2映射表、LED3映射表，每一个映射表与对应的数字-模拟转换器、电流驱动模组连接：LED1映射表与数字-模拟转换器1以及电流驱动模组1连接，LED2映射表与数字-模拟转换器2以及电流驱动模组2连接，LED3映射表与数字-模拟转换器3以及电流驱动模组3连接。

IPU接收外部指令，如显示色彩为RGB【63，120，255】，IPU发送指令在LED映射表中，分别寻找与各个LED输出光通量相应的数字驱动：针对LED1的数字驱动为R_DG_DB_D【71，115，201】，针对LED，2的数字驱动为R_DG_DB_D【80，101，186】，针对LED3的数字驱动为R_DG_DB_D【76，111，197】。

驱动芯片将各个不同的数字驱动置入自己通道的数字-模拟转换器，通过自己通道的电流驱动模组，得到指定的输出色彩光通量。为了得到相同的色彩光通量，每一个通道的数字数字式不同的。在此实施案例中，映射关系为：

LED1：

LED2：

LED3：

本发明可以应用在RGB LED为光源的液晶电视背光源系统、LED显示屏系统以及景观亮化应用的彩色LED硬光条、单色硬光条等产品或者系统内，提高产品的性能。

Claims

1.一种高速高精密的LED亮度以及色彩的控制方案和控制电路，包括5个部分：单个LED的扫描与数据矩阵；全彩与RGB对应矩阵；亮度控制方程；驱动电流校准、多线段近似与全彩显示矩阵；整体电路方案；

单个LED的扫描与数据矩阵，通过对LED施加0~全额负载电流，得到驱动电流与LED的光输出曲线，该曲线采用多线段近似；

全彩与RGB对应矩阵是一个国际标准的参数矩阵的扩展；

亮度控制方程根据亮度需要，按照一定的比例对RGB的输出流明进行调整的矩阵；

驱动电流校准是利用精密一起设备，对PCBA的驱动电流进行校准，避免电路中器件的精度造成的误差影响输出的色彩与亮度；多线段近似是将RGB的输出流明与驱动电流进行匹配，从而得到需要的色彩与亮度；全彩显示矩阵是驱动电流与色彩的对应关系矩阵，而且通过内插可以获得更多的色彩显示的数据矩阵；

整体电路方案是为了获得完整准确的色彩与亮度目标，而设计的一种硬件电路的实现方案。

2.根据权利要求书1所述的方案与控制电路，其特征为：控制电路、LED本身由于器件等造成的误差，可以借助于制造环节的高精密设备进行补偿；补偿采用多折线近似、或者曲线近似的方法；控制的速度由以下两个速度的最低值决定：硬件电路的反应速度、算法的运算速度，而集成电路性能的提高，可以使得反应速度提升。

3.根根据权利要求书1所述方案与控制电路，其特征为：输出色彩与RGB LED的驱动电流是以表的形式保存在MCU的内存器件或扩展内存中，驱动电流的大小是计算机利用扫描得到的LED输出曲线、电路板校准数据、全彩与RGB对应矩阵的换算得到的；换算中电流驱动与输出亮度色彩不匹配的数据，利用内插值的方法获得。

4.根根据权利要求书1所述方案与控制电路中的驱动电流校准，其特征为：应用高精密的电流测试设备和光学测试仪器，精度高于色彩控制的精度要求；对电路板上的输出电流进行挂负载校准；校准采用扫描的方法；扫描的步长为色彩控制精度的1/2还或者更小；扫描的输入采用数字格式；扫描的输出数据记录在计算机中，便于后续的计算与数据写入电路板。

5.根根据权利要求书1所述方案与控制电路中的亮度控制方程，其特征为：相关的系数按照精度要求保存在MCU内存或者扩展内存中；乘法计算通过数据的左移或者右移、以及数据的相加得到。

6.根据权利要求书1所述的方案与控制电路实现的全彩显示，其特征为：每一个电路板上由于LED的个性差异，全彩显示的电流驱动区间各不相同；通过增加单色LED的个数等手段，可以扩大全彩显示的区间。