CN209947399U - Led显示系统 - Google Patents

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Abstract

一种LED显示系统，具有耦合至驱动电路的LED显示面板。该驱动电路包括SPWM发生器、寄存器和存储器。该SPWM发生器从外部源接收图像数据，并在进行某些补偿之后，将该图像数据发送至SPWM发生器，以根据一组新规则进行分配。与现有技术相比，该LED显示系统具有许多优点，包括在低亮度下具有一致的输出光能。

Description

LED显示系统
技术领域
本实用新型总体涉及用于驱动显示屏的装置。更具体地说，本实用新型涉及一种通过图像数据补偿以提高LED显示屏的刷新率和亮度均匀性的装置。
背景技术
现代发光二极管(LED)显示面板需要更高的灰阶，以实现更高的色深以及更高的视觉刷新率从而减少闪烁。例如，RGB LED像素的16位灰阶分别允许红色、绿色和蓝色LED的16位色阶(216＝65536)。这种RGB LED像素能够显示总共655363种颜色。调节LED灰阶的常用方法之一是脉宽调制(“PWM”)。简而言之，PWM产生一系列电压脉冲以驱动LED。当脉冲电压高于LED的正向电压时，LED导通。否则，LED保持关断状态。相应地，当脉冲幅值超过阈值时，PWM信号的脉冲持续时间(即，脉冲宽度)决定LED 的导通时间和关断时间。导通时间占导通时间与关断时间之和(即PWM周期) 的百分比是占空比，该占空比决定LED的亮度。在2015年2月24日公布的美国专利8963811以及于2018年2月21日提交的美国专利申请15/901,712中详细说明了一种包括LED拓扑、电路、PWM引擎等的示例性LED显示系统的配置和操作。
LED显示屏的另一个参数是灰阶值，即，LED显示屏的亮度级别。在16 位分辨率LED显示屏中，灰阶值的范围为0(全黑)至65535(最大亮度)，与0％至100％占空比对应。当灰阶值较低时，LED的亮度级别较低。相反，当灰阶值较高时，亮度级别也较高。LED显示屏常常在低灰阶值时出现性能问题。
LED显示屏的另一个参数是其灰阶时钟(“GCLK”)频率，该参数与数据帧中的最大GCLK周期数(“GCLK”)和显示屏的刷新率有关。另外，帧速率是视频源在一秒内向显示屏反馈整个新数据帧的次数。LED显示屏的刷新率是LED显示屏每秒绘制数据的次数。刷新率等于帧速率乘以段数。
PWM的优点之一是开关器件的功耗很低。当开关关断时，几乎没有电流。当开关接通时，开关上几乎没有压降。因此，两种情况下的功耗都接近于零。另一方面，PWM由占空比、开关频率和负载特性限定。当开关频率足够高时，能平滑脉冲序列，并能恢复平均模拟波形。但是，当开关频率较低时，LED的关断时间会变得很显著，对于观看者而言会表现为闪烁。
正弦波脉宽调制(“S-PWM”)改变了传统的PWM，并实现了更高的视觉刷新率。为实现这一目的，S-PWM将PWM周期中的导通时间加扰为一些较短的PWM脉冲，这些PWM脉冲依次驱动每条扫描线。换言之，总灰阶值在 PWM周期内被加扰为多个PWM脉冲。在传统的PWM模式中，可能只有一个 PWM脉冲，因此LED会连续点亮一段时间，而在剩余的时间内LED不点亮。相比之下，S-PWM允许LED在PWM周期内以连续的短脉冲发光，使得光脉冲在 PWM周期中更均匀地分布，从而避免或减少闪烁。
一个PWM周期的GCLK周期数等于2的控制位数次方：
GCLK数目＝2控制位数。
例如，16位灰阶具有65536个GCLK。注意，一个PWM周期中的GCLK数目等于其在最大亮度下的灰阶值(即，最大脉冲宽度)。在一些S-PWM中，GCLK 的总数可划分为灰阶周期的最高有效位(MSB)和最低有效位(LSB)。每个PWM周期按以下公式划分为多个段(或子PWM周期)：
段数＝2LSB的数值
对于具有60Hz帧速率和8000个GCLK的PWM周期长度的视频源，可将 PWM周期划分为32个段(LSB＝5)，使得每段具有250个GCLK的脉冲持续时间。因此，总共1600个GCLK的灰阶值可按每段50个GCLK分配到32个段中，这可能使刷新率提高到32倍。但是，当段中的PWM脉冲持续时间(即，脉冲宽度)短于将LED电压升到高于其正向电压所需的时间时，LED会保持不亮状态。美国专利9,390,647提供了一种解决方案，该解决方案通过向脉冲增加固定数量的GCLK来延长脉冲持续时间。但是，如在本实用新型中的其它位置所说明的，这种S-PWM方案会导致低亮度级别时光能输出的显著增加。其它技术方案可能需要第二个电源来提供额外的驱动电流以延长脉冲持续时间，因而增加了LED显示屏的电气系统的复杂性和成本。
因此，需要一种能改善LED显示屏的图像质量而没有现有技术的缺点的新型系统和方法。
实用新型内容
本实用新型的LED显示系统的一个实施例包括耦合至驱动电路的 LED显示面板。该驱动电路包括SPWM发生器、寄存器和存储器。SPWM发生器接收(X+K)灰阶值的图像数据。X是来自外部图像源的数据的灰阶值，K 是由驱动电路产生的补偿值。
根据一个实施例，SPWM发生器按照以下一组规则将(X+K)灰阶值分配到多个段中：当(X+K)等于或小于G0*S0时，S＝ceil((X+K)/G0)且R＝ mod(X+K,G0)；当(X+K)大于G0*S0时，M＝floor((X+K)/S0)且L＝mod(X+K, S0)。
在上面的公式中，G0是分组数，S0是存储在驱动电路中的预设段数。 S是输出段的数目，其中S-1个段的脉冲宽度为G0个GCLK，并且其余一个段的脉冲宽度为R。
此外，L是分别接收M+1脉冲宽度的段的数目。其余的S0-L个段分别接收M脉冲宽度。注意，脉冲宽度或灰阶值的单位是GCLK。例如，M脉冲宽度表示具有M个GCLK的时间长度的脉冲宽度。
分组数G0可根据经验预先确定，或者通过校准LED显示屏的闪烁而获得。它可存储在驱动电路的存储器中。补偿值K与在LED显示屏的高亮度下获得的第一组校准数据和在低亮度下获得的第二组校准数据相关。例如， K＝(floor(p*X)+q-X，其中p是从第一组校准数据得出的，q是从第二组校准数据得出的。
在一些实施例中，LED显示面板可布置为共阴极配置或共阳极配置。 LED显示面板可以是用于室内或室外的大型壁挂式显示屏。LED显示面板也可以是手持设备的微型显示屏。
本实用新型还提供了一种用于操作LED显示系统的方法。该LED显示面板与具有SPWM发生器的驱动电路耦合。X值的图像数据馈送至该驱动电路。通过在乘法器中乘以校准系数p来补偿数据X。通过在加法器中将该数据与灰阶值q相加来进一步补偿该数据。这样，向X增加总补偿值K，使得补偿的图像数据具有(X+K)值。
然后将补偿的图像数据(X+K)发送至SPWM发生器。SPWM发生器将图像数据加扰到多个段中，以产生待发送至电源或电流源的短PWM脉冲。本实用新型还提供了一种用于LED显示系统的图像数据补偿方法。该LED显示面板由具有SPWM发生器的驱动电路驱动。该驱动电路连接至视频源。自视频源的输入图像数据是X。补偿的图像数据是floor(p*X)+q。p、q或这两者的值是通过校准获得的。例如，以高亮度级别校准显示面板的均匀性以确定p的值，并以低亮度级别校准显示面板的均匀性以确定q的值。p、q或这两者的值可以预先确定而无需校准。
可针对LED显示屏中的每个LED独立地确定p、q或这两者的值。或者，对于LED显示屏中的相同颜色的LED，p是一个常数，q是一个常数，或者两者都是常数。
附图说明
通过参照附图阅读以下详细说明，很容易理解本实用新型的原理。
图1是现有技术的S-PWM方案A和B的示意图；
图2示出了新的S-PWM方案C的效果；
图3示出了现有技术的S-PWM方案B的操作；
图4示出了新的S-PWM方案C的操作；
图5是本实用新型的LED显示系统的框图。
具体实施方式
附图和以下说明仅用于以示例性方式说明本实用新型的一些实施例。应注意，根据以下论述很容易理解，在本文中公开的结构和方法的替代实施例应视为未脱离要求保护的实用新型的原理的可行替代方案。
现在将详细参照本实用新型的多个实施例来进行说明，在附图中示出了本实用新型的一些示例。应注意，在可行的情况下，在附图中可能使用类似或相似的附图标记，并且这些附图标记可指示类似或相似的功能。附图仅出于说明的目的描绘了本实用新型的一些实施例。本领域技术人员根据以下说明很容易认识到，可以采用本文所示的结构和方法的替代实施例，而不会脱离本文所述的本实用新型的原理。
除另有说明外，在本文中使用的术语耦合”或“连接”以及它们的变化形式表示间接或直接电连接。因此，若第一个装置耦合或连接至第二个装置，则该连接可通过直接电连接进行，也可经由其它装置或连接通过间接电连接进行。
在本实用新型中，术语“低亮度”(即，低灰阶)通常指输入信号长度较短的情况，例如短于LED的升压时间的4倍，或短于LED的升压时间的3 倍。相反，术语“高亮度”(即，高灰阶)指输入信号长度较长的情况，例如长于LED的升压时间的4倍，或长于LED的升压时间的10倍。
图1示出了两种现有的S-PWM方案。顶部面板显示一个灰阶数据输入周期中的灰阶值为320个GCLK周期(“GCLK”)，即，在一个灰阶数据输入周期中PWM脉冲的总宽度为320个GCLK。在图1中的中间面板中所示的 S-PWM方案A中，320个GCLK按每段中10个GCLK的数量分布在32个段中(段0至段31)。在图1的底部面板中所示的S-PWM方案B中，向每个段中的PWM脉冲增加了等于N个GCLK的偏移值，使得PWM脉冲宽度延长N个GCLK，导致脉冲具有(N+10)个GCLK的宽度。在S-PWM方案B中，扩展的PWM脉冲宽度拓宽到超出LED的正向电压(Vf)的升压时间，从而LED点亮。
本公开提供了一种新的S-PWM方案C。为了便于说明，X是一个灰阶输入周期中输入图像数据的灰阶值；K是向输入图像数据增加的补偿值；S0是段数；G0是每段的长度。
在S-PWM方案C中，当(X+K)等于或小于G0*S0时，S＝
ceil((X+K)/G0)且R＝mod(X+K,G0)。S是输出段的数目，其中S-1个段的脉冲宽度为G0个GCLK，并且其余一个段的脉冲宽度为R。R是小于G0的正整数。在本文中所用的输出段是具有至少1个GCLK脉冲宽度的段，因而不具有输出脉冲的段称为“暗段”。相应地，(S0-S)个段是暗段。
相反，当(X+K)等于或大于G0*S0时，M＝floor((X+K)/S0)且L＝
mod(X+K,S0)。L是脉冲宽度分别为M+1的段的数目，而其余的S0-L段的脉冲宽度分别为M。
将此规则应用到将1至320个GCLK分配到32个段(S0＝32)的场景，假设分组数是8个GCLK(G0＝8)，则灰阶值的分布在下面的表1和2中示出。表1示出了从1到256个GCLK分配灰阶值的情况(例如灰阶值≦
S0*G0＝256)，而表2示出了从257至320个GCLK分配灰阶值的结果。
表1
Figure DEST_PATH_GDA0002231434050000051
Figure DEST_PATH_GDA0002231434050000061
表2
Figure DEST_PATH_GDA0002231434050000071
表1表明，当灰阶值小于或等于S0*G0时，首先将可用的灰阶数据放入单个段中，直到该段中的PWM脉冲宽度达到G0，然后将剩余的灰阶数据放入具有小于G0PWM脉冲宽度的另一个段中。因此，每个段中的最大PWM 脉冲宽度是G0(即，在该示例中为8)。因此，在非常低的灰阶值时，优先填充各个段，直到该段具有脉冲宽度G0，而其余段不接收信号并保持暗态。请注意，当灰阶值等于G0*S0时，每个段的脉冲宽度为G0。
当灰阶值大于G0*S0时，分布规则会发生变化。如表2所示，对于超过 G0*S0的GCLK数目，每次向每个段分配1个GCLK，直到所有32个段都有 (G0+1)个GCLK。然后，对于超过(G0+1)*S0的多余GCLK，每次向每个段分配一个GCLK，直到所有32个段都具有(G+2)个GCLK。
因此，在该实施例中，当灰阶值大于S0*G0时向段中分配灰阶值的规则与传统的S-PWM方案中的相同。不过，当灰阶值较低时(即，小于S0*G0时)，该方法使具有至少G0脉冲宽度的段的数目最大化。
图2示出了新的S-PWM方案C的效果。图2中的面板A、B和C示出了响应于来自一组LED输入数据长度(即，输入脉冲宽度)的输出光能(即，亮度)。面板A示出了没有任何补偿的LED的行为。在输入脉冲宽度超过阈值水平之前，LED不会点亮。一旦LED点亮后，LED的能量输出值就会大致线性地增加，但是增加速率有所不同。面板B示出了第一种补偿的结果，该补偿改善了LED在高亮度下的亮度均匀性。图C示出了本实用新型的实施例的结果，该实施例除了提供第一种补偿之外还提供第二种补偿。在经过第二种补偿之后，当输入脉冲宽度较窄时，LED会发光。
图3示出了在图1的中间窗格中所示的S-PWM方案B中的LED的输出光能。在图3的底部面板中，当每个段中的PWM脉冲为(t-1)个GCLK 时，一个段中的光能输出为e(t-1)，32个段中的总输出光能为32*e(t-1)。当段中的脉冲宽度扩展一个GCLK成为t个GCLK的值时，32个段中的总输出光能为32*e(t)，如图3中的顶部面板所示。因此，由一个GCLK引起的输出光能的差是32*(e(t)-e(t-1))。
图4示出了本实用新型的新S-PWM方案C中的LED的输出光能。在图4的底部面板中，当段1中的PWM脉冲是t个GCLK时，其余段中的每一个接收(t-1)个GCLK，并保持不亮状态。当输入PWM值增加一个GLCK时，该GCLK被分配给段2。向段2增加一个GLCK足以点亮LED，如图4中的顶部面板所示。因此，由一个GCLK引起的输出光能的差是1*(e(t)-e(t-1))。
由于S-PWM方案B将32个段中的每个段中的PWM值增加相同数量的GLCK，因此LED在所有段中不是处于点亮状态就是保持不亮状态，这不允许在低亮度下进行微调。相反，S-PWM方案C允许在某些条件下在各个段中增加有限量的PWM值，使得即使在非常低的亮度水平下LED也至少在一些段中发光。因此，S-PWM方案B会导致输出光能的显著增加，而S-PWM方案C允许微调输出光能。
在本实用新型的一些实施例中，补偿值K是通过校准获得的。例如，通过拍摄照片和调节LED显示屏中的各个LED的亮度来进行校准。该校准通常在高亮度下进行。其目的是在整个显示屏上实现亮度均匀性。在这种校准中， LED显示屏中的各个LED接收相同的图像数据。拍摄LED显示屏的第一张照片，该照片显示LED的亮度变化。向图像数据增加第一数据，并发送至LED。拍摄第二张照片。进行输入图像数据的调节并拍摄照片，直到亮度均匀性满足预定标准。
在一个具体实施例中，每个LED像素是RGB LED像素，其包含红色 LED、蓝色LED和绿色LED，每个LED接收其相应的输入图像数据Xi并获得校准系数pi，i＝r、g或b。然后，将从每个LED的校准获得的系数pi存储在存储器(例如SRAM)中的诸如查找表等结构中。存储器可与驱动电路一起构建在同一芯片上，也可构建在耦合至驱动电路芯片的不同芯片上。在需要时(例如在LED通电时)检索该校准数据，以将该校准数据预加载至驱动电路中的寄存器。
在另一个实施例中，校准过程在一个高亮度条件下进行以获得第一组校准数据，并在一个低亮度条件下进行以获得第二组校准数据。在一些实施例中，低亮度下的性能特征是LED显示屏的闪烁，这种闪烁可通过目视检查来监测。假设在低亮度条件下单个LED接收输入图像数据Xi，并在校准过程之后被分配了校准数据qi。同样，校准数据qi可存储在驱动电路的存储器中。因此，校准数据pi、qi或这两者被分配给每个LED。对于1920x1080像素的彩色LED显示屏，最多可有六个校准数据矩阵--pr、pb、pg、qr、qb和qg，且每一个校准数据矩阵都有一个1920x1080矩阵。
在某些实施例中，例如，当从LED发射的光是一致且均匀的时，可能无需对每个LED应用不同的qi。相反，LED显示面板中的所有相同颜色的 LED可使用低亮度、高亮度或这两种亮度下的一组校准数据。即，在低亮度下，所有红色LED使用相同的qr，所有蓝色LED使用相同的qb，并且所有绿色LED使用相同的qg，从而将qr、qb和qg的三个1920x1080矩阵简化为三个数字。独立于用于低亮度的qr、qb和qg的值，在高亮度下，所有红色LED 可使用相同的pr，所有蓝色LED可使用相同的pb，所有绿色LED可使用相同的pg，从而将pr、pb和pg的三个1920x1080矩阵简化为三个数字。这种简化减小了存储校准数据所需的存储器的大小。在这些实施例中，可根据经验或根据从校准获得的值来选择q值和p值。
q值和p值都用于确定补偿值K，从而可在整个亮度级别范围内获得 LED的最佳补偿。
在本实用新型的另一个实施例中，分组数G0和段数S0可根据经验确定，或者通过校准获得。S0和G0存储在LED显示屏的驱动电路中，例如存储在寄存器中。在校准过程中，在驱动电路中设置初始G0值(例如8)和/或初始S0值(例如32)，使LED显示屏以各种亮度级别(尤其是低亮度级别) 工作，以测试性能特征，例如闪烁和亮度均匀性。可调节G0和S0，直到性能达到或超过预定标准。
应注意，pr、pb、pg、qr、qb、qg、G0和S0的值可通过LED显示屏的校准获得，或者可预先确定而无需校准，例如根据经验确定。
图5是本实用新型的LED显示系统的框图。视频源将视频数据(8、10 或12位)发送至LED显示系统，该LED显示系统具有LED显示面板和LED 驱动电路。视频数据经过伽马校正，并在色深转换器中转换为16位数据。16 位数据流进入乘法器，在该乘法器中，第一组校准数据被结合到数据流中。第一组校准数据是在高亮度条件下(即，高亮度校准)获得的。假设输入数据为Xi，则高亮度校准是将校准系数pi与输入数据相乘。例如，乘法器的输出数据等于Floor函数：floor(pi*Xi)。该校准调节16位数据以获得像素效率。图2的面板B中所示的第一种补偿是这种高亮度校准的一个示例性结果。
来自乘法器的数据进入加法器，在该加法器中增加第二组校准数据qi。第二组校准数据是在低亮度条件下(即，低亮度校准)获得的。假设校准数据将qi个GCLK增加至N1，则加法器的输出数据N2等于(N1+qi)或 (floor(pi*X)+qi)。这样，补偿值Ki＝(floor(pi*X)+qi)-X。因此，补偿值Ki通过高亮度校准和低亮度校准获得，与图2的面板C中所示的曲线对应。
校准的图像数据(X+K)被发送至S-PWM引擎，该S-PWM引擎从寄存器接收预设的段数S0和预设的分组数G0，并产生数字PWM信号。该数字PWM 信号被发送至多个电源。这些电源又驱动扫描型LED显示面板，该LED显示面板可以是共阳极配置或共阴极配置的。
在共阳极配置中，LED显示面板具有按行和列排列的RGB LED像素阵列。LED阵列具有多个共阳极节点。多个共阳极节点中的每一个将同一行中相同颜色的LED的阳极可操作地连接至相应的扫描开关。同一列中的LED 像素的阴极连接至电源。
在共阴极配置中，LED像素阵列具有多个共阴极节点。多个共阴极节点中的每一个将同一行中的LED的阴极可操作地连接至相应的扫描开关。同一列LED像素中相同颜色的LED的阳极连接至电流源。
受益于前述说明和相关附图中呈现的原理，本领域技术人员能够想到本实用新型的许多修改和其它实施例。例如，驱动电路可用于驱动共阴极或共阳极配置的LED阵列。LED阵列中的元件可以是单色LED或RGB单元、或者是可用的任何其它形式的LED。可按比例缩放驱动电路以驱动各种规格的 LED阵列。可采用多个驱动电路来驱动LED显示系统中的多个LED阵列。驱动电路中的组件可集成在单个芯片上，也可集成在多个芯片上或PCB板上。此外，显示屏可以是任何适当的显示屏，包括大型户外显示面板或用于手机的微型显示屏。这种变化形式在本实用新型的范围之内。应理解，本实用新型不限于所公开的具体实施例，并且此类修改和实施例应包括在从属权利要求的范围之内。

Claims (8)

1.一种LED显示系统，其特征是，包括：
LED显示面板；和
驱动该LED显示面板的驱动电路，
其中该驱动电路包括SPWM发生器、寄存器和存储器，其中该SPWM发生器接收灰阶值X+K的补偿图像数据，X是来自外部图像源的数据的灰阶值，K是驱动电路产生的补偿值，
其中该SPWM发生器按照以下一组规则将灰阶值X+K分配到多个段中：
当X+K等于或小于G0*S0时，S＝ceil((X+K)/G0)且R＝mod(X+K,G0)，
其中G0是分组数，S0是存储在驱动电路中的预设段数，S是输出段的数目，其中S-1个段的脉冲宽度为G0个GCLK，其余一个段的脉冲宽度为R；和
当X+K大于G0*S0时，M＝floor((X+K)/S0)且L＝mod(X+K,S0)，
其中L是分别接收M+1脉冲宽度的段的数目，而其余的S0-L段分别接收M脉冲宽度。
2.如权利要求1所述的LED显示系统，其中，所述补偿值K是预先确定的，或者是通过测量LED显示面板的一个或多个性能特征而获得的。
3.如权利要求2所述的LED显示系统，其中，LED显示面板的一个性能特征是亮度均匀性。
4.如权利要求3所述的LED显示系统，其中，所述补偿值K＝(floor(p*X)+q)-X，其中p是通过以高亮度校准LED显示面板而获得的数字，q是通过以低亮度校准LED显示面板而获得的数字。
5.如权利要求1所述的LED显示系统，其中，所述分组数是预先确定的，或者是通过测量LED显示屏的一个或多个性能特征而获得的。
6.如权利要求5所述的LED显示系统，其中，一个性能特征是LED显示面板的闪烁。
7.如权利要求1所述的LED显示系统，其中所述LED显示面板包括RGB LED像素的LED阵列，其中该LED阵列具有多个共阳极节点，所述多个共阳极节点中的每一个将同一行中相同颜色的LED的阳极可操作地连接相应的扫描开关，并且同一列中的LED像素的阴极可操作地连接至电源。
8.如权利要求1所述的LED显示系统，其中所述LED显示面板包括RGB LED像素的LED阵列，其中该LED阵列具有多个共阴极节点，所述多个共阴极节点中的每一个将同一行中的LED的阴极可操作地连接相应的扫描开关，并且同一列LED像素中相同颜色的LED的阳极可操作地连接至电流源。
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