Hva forårsaker LED-skjermghosting, døde pikselkryss og fargeskift i lavt grått?

Bildekvaliteten til en LED-skjerm er direkte knyttet til ytelsen. Blant nøkkelkomponentene er konstantstrømsdriverbrikken avgjørende for kolonnedrift. Utgangsnøyaktigheten og responshastigheten er avgjørende for den endelige bildekvaliteten. Vanlige skjermfeil som ghosting, korsformede døde piksler og lavgrå fargeforskyvning er ofte knyttet til avvik i disse drivparametrene.

I motsetning til dette hadde raddrivermodulen i utgangspunktet en enklere rolle i tidlige LED-skjermer. Den håndterte grunnleggende radbytte og ble ansett som lavteknologisk. Med fremveksten av finpitch-skjermer har imidlertid kravene endret seg. Høyere pikseltetthet krever raskere skanning og mer strømpresisjon. Følgelig har raddriverens funksjon utviklet seg. Det er ikke lenger bare en enkel bryter. Nå integrerer den funksjoner som blanking, overstrømsvern og ESD-beskyttelse.

Denne utviklingen gjør raddriverdesign mye mer komplekst. Ingeniører står nå overfor seks hovedutfordringer:

• Øvre spøkelsesøyeblikk
• LED-omvendt spenning
• Kortslutnings-"larve"-effekt
• Åpen krets "kryss"-effekt
• Høy LED-forspenning (Vf)
• Høykontrastkobling

La oss bryte ned hvert problem.

Øvre spøkelsesøyeblikk

I skanne-LED-skjermer påvirker tidssynkroniseringen av radbytte og enhetskarakteristikker direkte skjermeffekten. Øvre ghosting kommer hovedsakelig fra to faktorer: bytteforsinkelsen til PMOS-transistorer og den langsomme utladningen av restladninger i radlinjeparasittiske kondensatorer Cr.

Skanneskjermer fungerer ved å lyse opp rader én etter én. Når rad(n) slås på, lader raddrivkretsen den parasittiske kondensatoren Cr gjennom PMOS-transistoren. Til slutt stabiliserer spenningen over Cr seg ved VCC.

Når systemet sender en radbyttekommando, skal PMOS-transistoren for Row(n) ideelt sett slå seg av umiddelbart. Restladningene på Cr må også utlades raskt.

Men i praksis har PMOS-transistorer iboende koblingsforsinkelser. Samtidig beholder den parasittiske kondensatoren Cr ladningene. Dette forårsaker en betydelig forsinkelse i ladningsutladningen.

Når VLED- og OUT-kanalen i neste rad slås på samtidig, danner de ufullstendig utladede restladningene fra forrige rad en ledningssløyfe gjennom LED-ene. Dette gjør at LED-ene i rad(n) lyser svakt. Dette fenomenet kaller industrien øvre ghosting.

Dette problemet er spesielt tydelig i skjermer med liten pitch og høye skannefrekvenser. Det reduserer bildekontrasten betraktelig.

Den viktigste tekniske løsningen på øvre ghosting er å utlade restladningene i Cr tidlig og raskt under radbytte. Dette bryter betingelsen for å danne en ledningssløyfe mellom restladninger og neste rads drivsignal.

Fra et ingeniørperspektiv bruker den vanlige industriløsningen dedikerte raddrivrør med integrerte blankingfunksjoner. Disse enhetene har innebygde uavhengige pull-down-utladningskretser.

Kretsene aktiveres nøyaktig under radbytte. De akselererer utladning av Cr-ladning gjennom en lavimpedansbane.

I denne løsningen bestemmer verdien av blankingspenningen VH direkte ladningsutladningseffektiviteten og øvre ghosting-elimineringseffekt. Jo lavere VH-innstillingen er, desto større er potensialforskjellen mellom pull-down-kretsen og Cr.

Dette skaper en sterkere drivkraft for utlading av ladning og raskere utladingshastighet. Elimineringseffekten av øvre ghosting blir bedre.

Data fra teknisk praksis bekrefter at når VH < VCC－1V, kan øvre ghosting elimineres fullstendig innenfor det konvensjonelle skannefrekvensområdet (120 Hz~360 Hz). Det påvirker heller ikke andre skjermers ytelse i vesentlig grad.

Merk at VH ikke kan justeres for lavt. For lav VH vil forårsake andre derivative problemer, som vil bli beskrevet i senere kapitler.

LED-omvendt spenning

LED-er er de viktigste lysutstrålende komponentene i LED-skjermer. Påliteligheten deres bestemmer direkte skjermens levetid. Motstrøm er en av de viktigste stressfaktorene som påvirker LED-enes langsiktige pålitelighet.

PN-overgangen inne i LED-pærer har svak toleranse for reversspenning. Når reversspenningen overstiger terskelen, forringes PN-overgangens egenskaper. I alvorlige tilfeller bryter PN-overgangen direkte sammen. Dette vises til slutt som døde piksler på skjermen.

Dette problemet er mer fremtredende i LED-skjermer med liten pitch. På den ene siden har LED-skjermer med liten pitch mindre pakningsstørrelser og mer kompakte interne strukturer. Toleransen for reversspenning er relativt lavere.

På den annen side har skjermer med liten pitch høyere drivtetthet og raskere bryterfrekvenser for drivsignaler. Dette gjør det mer sannsynlig at reversspenningen øker. Å kontrollere reversspenningen til LED-er har dermed blitt et langvarig kjerneproblem i bransjen.

Fra et teknisk prinsippperspektiv er generering av reversspenning i LED-skjermen nært knyttet til parasittiske parametere i drivkretsen. Når LED-skjermens konstante strømutgangskanal slås av, produserer den parasittiske induktansen i drivsløyfen en friløpseffekt på grunn av plutselige strømendringer.

Denne frie strømmen fortsetter å lade den parasittiske kondensatoren ved kanalen. Den danner et høyspenningsfeilsignal over kondensatoren.

Dette høyspenningsfeilsignalet legges over utgangsspenningen fra raddrivrøret. Det danner til slutt reversspenningen som påføres over LED-ene.

Dermed er blankspenningen VH til raddrivrøret en nøkkelvariabel som påvirker LED-reversspenningen. Under forutsetningen om et fast spenningsnivå etter at konstantstrømsutgangskanalen slås av, jo høyere VH-verdi, desto mindre superposisjonsverdi med høyspenningsfeilsignalet.

Den endelige reversspenningen som påføres LED-ene blir lavere. Omvendt, jo lavere VH-verdien er, desto høyere er den overlagrede reversspenningen. Risikoen for skade på LED-ene øker også.

I henhold til generelle bransjestandarder er den nominelle reversspenningstoleransen for konvensjonelle LED-er 5 V. LED-produsenter utleder denne parameteren basert på standard testforhold.

Men mange testdata fra LED-skjermprodusenter viser at langvarig drift i et reversspenningsmiljø nær eller over 1.4 V akselererer PN-overgangens degradering. Sannsynligheten for døde piksler øker kraftig.

Når reversspenningen kontrolleres strengt under 1.4 V, kan LED-ens levetid nærme seg den teoretiske designverdien. Sannsynligheten for døde piksler kan falle til under 0.1 %.

Basert på denne testkonklusjonen, kan ikke blankspenningen VH på raddrivrøret være for lav til å kontrollere LED-reversspenningen. En rimelig VH-verdi må gi reversspenningsbeskyttelse for LED-er.

Verifisering av ingeniørpraksis viser at VH generelt må oppfylle VH≥VCC-2V. Dette sikrer at den overliggende reversspenningen ikke overstiger sikkerhetsterskelen på 1.4 V. Det garanterer effektivt langsiktig LED-pålitelighet.

Kortslutningslarve

LED-kortslutninger er vanlige feil i praktiske LED-skjermapplikasjoner. Når en LED kortslutter, lyser den tilhørende kolonnen ofte kontinuerlig. Bransjen kaller levende dette fenomenet «kortslutningslarve».

Prinsippet for dannelsen kan deles opp som følger: Når en LED midt i en rad kortslutter, leder anoden og katoden direkte. Dette ødelegger den opprinnelige normale drivsløyfen.

Når skannesignalet bytter til den defekte raden, danner VLED en unormal ledningsbane gjennom den kortsluttede LED-en. Hvis spenningsforskjellen mellom VLED og punkt A i den defekte kolonnen overstiger terskelen for fremoverbelysning for andre normale LED-er i samme kolonne, vil hele LED-kolonnen forbli på kontinuerlig. Dette danner en lang, lys linje som en «larve».

Denne feilen påvirker skjermbildets integritet alvorlig. Spesielt i situasjoner med svart bakgrunn eller lav lysstyrke er den unormale lyse linjen mer tydelig. Det skader skjermeffekten betraktelig.

For å hjelpe ingeniører med å diagnostisere feil raskt, må vi avklare kjerneforskjellene mellom kortslutningslarver og en annen vanlig feil.

Når det gjelder manifestasjon, er kortslutningslarver vedvarende feil. Så lenge skjermen er i skannemodus, vises den unormale lyse linjen kontinuerlig. Det har ingenting med bildesignaler å gjøre.

Kryss med åpen krets er betingede feil. De vises bare når pikselet med LED-en med åpen krets mottar et lyssignal. Potensiell interferens i drivsløyfen forårsaker den kryssformede, svake gløden. Hvis pikselet ikke lyser, vises ikke feilen.

Når det gjelder rotårsak, kommer kortslutningslarver fra kortslutningsfeil i LED-dioder. Kryssinger med åpen krets kommer fra feil med åpen krets i LED-dioder. Feiltypene deres er helt forskjellige.

Den viktigste tekniske logikken for å løse kortslutningslarver er å kutte av den unormale ledningssløyfen til den defekte kolonnen. Nøkkelen er å gjøre spenningsforskjellen mellom VLED og blindspenningen VH mindre enn LED-ens fremoverbelysningsspenning VF. Det vil si at VLED－VH < VF strengt må overholdes.

Dette er fordi når spenningsforskjellen er mindre enn LED-lysets terskelen for fremoverbelysning, kan ikke VLED-en gi nok ledningsspenning for andre vanlige LED-er i samme kolonne, selv om en LED kortslutter. Dette unngår dannelsen av en lysende linje i hele kolonnen.

Merk at forspenningen VF varierer betydelig mellom LED-er med forskjellige farger. VF-området for røde LED-er er 1.6 2.4 V. For grønne og blå LED-er er det 2.4 3.4 V.

Bransjetester viser at røde LED-er har en lavere faktisk lysgrense. De kan lyse svakt ved 1.4 V.

Vi tar den mye brukte røde LED-en som et eksempel for parametertilpasning: Når VH > VCC－1.4 V, kan spenningsforskjellen mellom VLED og VH kontrolleres til under 1.4 V. Dette kutter fullstendig av den unormale ledningssløyfen og løser problemet med kortslutningslarve.

Når VH er i området VCC-2V VCC-1.4V, er spenningsforskjellen mellom 1.4V og 2V. På dette tidspunktet vil bare én rød LED under kortslutningspunktet lyse svakt (siden spenningen er nær lysterskelen). Den totale feilpåvirkningen er relativt kontrollerbar.

Åpen krets kryss

Ved skanning av LED-skjermfeil er kryss med åpen krets typiske feil på kolonnenivå sammen med kortslutningslarver. Dannelsen av disse er nært knyttet til LED-feil med åpen krets og den parasittiske kapasitanskoblingseffekten i drivsløyfen.

Den spesifikke dannelsesprosessen er som følger: Under normal drift av skanneskjermen, når en LED åpner kretser og systemet sender et lyssignal til pikselen med den åpne LED-en, prøver den tilsvarende konstantstrømskanal OUT1 å sende ut drivstrøm.

Men på grunn av LED-avbruddet kan ikke strømmen danne en sløyfe. Dette trekker spenningen på OUT1-kanalen raskt ned til under 0.5 V (nær 0 V i ekstreme tilfeller).

Dette lavspenningssignalet produserer en koblingseffekt gjennom parasittiske kondensatorer C1 (mellom kanalen og kolonnelinjen) og C2 (mellom kolonnelinjen og radlinjen) i drivsløyfen. Det påvirker deretter radlinjens parasittiske kondensator Cr på kolonnesiden. Dette trekker ned potensialet over Cr på en unormal måte.

Fallet i Cr-potensial ødelegger den normale avskjæringstilstanden til andre LED-er i samme kolonne. Det fører til at andre LED-er i samme rad som LED-en med åpen krets lyser unormalt svakt. Dette danner til slutt en unormal kryssformet lys linje, kjent som et åpent krets-kryss.

For eksempel, når blankspenningen VH for skanneraden er satt til 3.5 V, danner denne spenningen en betydelig potensialforskjell med det nedre Cr-potensialet. Dette forsterker ledningsbanen ytterligere. Dette gjør fenomenet med åpen krets-kryss mer tydelig.

Fra et teknisk løsningsperspektiv eliminerer det å redusere blankingspenningen VH på blanking-radrøret effektivt kryss i åpen krets. Spesifikt må VH oppfylle VH < 1.4V.

Når VH er under 1.4 V, selv om Cr-potensialet trekkes ned av lavspenningssignalet fra den åpne LED-en, kan den ikke danne en potensialforskjell med VH som er tilstrekkelig til å lede andre LED-er. Dette kutter dannelsesløyfen til den unormalt lyse linjen.

For tiden bruker noen avanserte raddrivrør i bransjen justerbare blankingspenningsdesign. Disse lar ingeniører justere VH-verdien fleksibelt i henhold til faktiske feilforhold. Å redusere VH til under 1.4 V kan raskt eliminere åpen krets-kryssing.

Men denne løsningen har åpenbare ytelsesproblemer. På den ene siden øker reduksjon av VH reversspenningen over LED-ene. Dette akselererer aldringen av PN-overgangen inne i LED-ene og forkorter levetiden deres.

På den annen side, når VH er under 1.4 V, brytes undertrykkelsesbetingelsen for kortslutningslarvebånd. Dette kan føre til at kortslutningslarvebåndfeilen oppstår igjen.

Derfor brukes denne løsningen vanligvis som et hjelpetiltak i praktiske ingeniørapplikasjoner. Den må kombineres med andre tekniske tiltak for omfattende bruk.

Stor LED VF-verdi

I masseproduksjon og praktisk anvendelse av LED-skjermer er spredning av LED-forspenningens VF-verdier uunngåelig. Når noen LED-er har VF-verdier som overstiger det nominelle området (dvs. store VF-verdier), kan det forårsake unormal kontinuerlig belysning av søyler.

Dette problemet skader direkte integriteten til skjermbildet. Det er et vanlig applikasjonsproblem som plager ingeniører.

Hvis vi tar den mye brukte grønne LED-en som eksempel, er dens nominelle fremoverspennings-VF-område 2.4~3.4 V. Men mange testdata viser at den faktiske lysterskelen for noen grønne LED-er er lavere enn den nominelle nedre grensen.

Når spenningsforskjellen mellom anoden og katoden på LED-en når 1.8 V, kan den lede elektrisitet og lyse svakt.

I dette tilfellet, hvis blankspenningen VH på raddrivrøret er satt for høyt, vil det danne en spenningsforskjell på over 1.8 V over de uskannede LED-lysene i den defekte kolonnen. Dette fører til at kolonnen lyser kontinuerlig. Det unormale fenomenet er mer tydelig i scenarier med lav gråtone.

For å analysere forholdet mellom store LED-VF-verdier og VH-innstillinger tydeligere, utfører vi kvantitativ derivasjon ved å bruke en LED med en nominell fremoverspenning VF1 = 3.4 V som et eksempel.

Når skannesignalet bytter til raden der LED-en er plassert, slås utgangsspenningen VOUT til konstantstrømsdriveren og LED-strømforsyningsspenningen VLED1 på samtidig.

I henhold til LED-enes ledningsegenskaper, må spenningen ved kanalenden tilsvare VOUT=VLED1－VF1 for å sikre at LED-en får en stabil drivstrøm.

For andre uskannede LED-er i samme kolonne bestemmes spenningsforskjellen V△ over dem av forskjellen mellom blankingspenningen VH og VOUT. Det vil si at V△=VH－VOUT.

Ved å sette inn VOUT=VLED1－VF1 får man V△=VH－VLED1+VF1.

Kombinert med konklusjonen fra forrige test, vil LED-en lyse svakt når V△>1.8V, selv om den ikke skannes og drives, fordi spenningsforskjellen overstiger lysterskelen. Dette fører til at lyssøylen forblir på kontinuerlig.

I praktiske ingeniørapplikasjoner er spenningsfallet i raddrivrøret relativt lite (vanligvis under 0.2 V). Derfor kan vi tilnærme VLED≈VCC.

Dermed kan vi videre utlede: Når VH > VCC －1.6 V, vil V△ overstige den farlige terskelen på 1.8 V. Dette bidrar ikke til å løse problemet med kontinuerlig belysning av kolonner forårsaket av store LED VF-verdier. Denne utledningskonklusjonen gir et viktig kvantitativt grunnlag for å optimalisere VH-innstillingene.

Høykontrastkobling

Høykontrastkobling er en typisk ytelsesflaskehals for LED-skjermer med liten avstand i scenarier med høy bildekvalitet. Den spesifikke ytelsen er som følger: Når skjermen viser et bakgrunnsbilde med lav lysstyrke, for eksempel svart eller mørkegrå) med et overliggende område med høy lysstyrke, for eksempel hvit tekst eller lyse mønstre, vil den delen av bakgrunnsområdet med lav lysstyrke som er i samme rad som bildet med høy lysstyrke, ha tydelig fargeskifte eller dimming. Rødforskyvning og dimming er de vanligste.

Fra et teknisk rotårsaksperspektiv kommer dette fenomenet fra gjensidig interferens mellom kolonnedrivkanalen og raddrivrøret. Når man viser bilder med høy lysstyrke, sender kolonnedrivkanalen ut en stor drivstrøm.

Denne strømmen produserer dynamiske spenningsfluktuasjoner i drivsløyfen. Gjennom koblingsveier som parasittisk kapasitans og gjensidig induktans mellom rad- og kolonnelinjer, forstyrrer den drivsignalene fra tilstøtende rader.

I bakgrunner med lav lysstyrke er drivstrømmen liten. Signalets anti-interferensevne er svak. Denne koblingsinterferensen forsterkes ytterligere. Det fører til at skjermparametrene i det tilsvarende området avviker fra det normale området, noe som resulterer i fargeforskyvning eller dimming.

Fra et teknisk optimaliseringsperspektiv kan vi adressere høykontrastkobling fra flere dimensjoner. Optimalisering på raddriftsnivå er en viktig retning.

Å designe en klemmekrets for å stille inn en fast klemmespenning holder raddrivrøret på dette faste nivået etter utladning. Dette kan redusere blankingspenningen VH og forbedre høykontrastkoblingen til en viss grad.

Dette er fordi reduksjon av VH reduserer potensialforskjellen mellom rad- og kolonnelinjer. Det svekker intensiteten av koblingsinterferens og reduserer fargeforskyvning eller dimming.

Men denne optimaliseringsløsningen har åpenbare avledede problemer. For det første forårsaker den demping av kortsluttede kolonner, noe som påvirker skjermintegriteten i feiltilstander.

For det andre forårsaker det rødforskyvning i lavgrå skjerm, noe som reduserer bildekvaliteten i lavgrå. For det tredje forringer det tilpasningsevnen til LED-refleksjonsverdiene ytterligere, noe som øker risikoen for kontinuerlig lysfeil i kolonnen.

Hvis vi bare optimaliserer selve raddrivmodulen (uten å involvere klemmekretsdesign) og reduserer blankingspenningen VH, kan det også lindre høykontrastkobling. Men denne metoden gjentar de ovennevnte derivatproblemene.

Det øker også LED-reversspenningen, akselererer LED-aldring og kan føre til at kortslutningsproblemet med larvebåndet oppstår igjen.

Derfor krever optimalisering av høykontrastkobling på raddriftsnivå flerdimensjonale ytelsesavveininger. Det er vanligvis nødvendig å kombinere tiltak som justering av kolonnedriftsbrikkeparametere og design av anti-interferens PCB-kabling for å danne en omfattende løsning.

Optimal valg av blindspenning for raddrivrør

En omfattende teknisk analyse av de seks kjerneutfordringene ovenfor viser at valg av blankingspenningen VH for raddrivrøret er en optimaliseringsprosess med flere mål. VH-verdien kan ikke være for høy eller for lav. Vi må finne den beste balansen mellom ulike ytelsesindikatorer.

Mer spesifikt kan reduksjon av VH effektivt løse problemer som øvre ghosting og kobling med høy kontrast. Men det forverrer LED-reversspenningskontrollen, utløser kortslutningsfeil i larvebåndet og øker risikoen for kontinuerlig lys i søylen forårsaket av store LED-VF-verdier.

Å øke VH kan optimalisere LED-reversspenningsbeskyttelsen og undertrykke kortslutningslarver. Men det forsterker problemer som øvre ghosting, kryss i åpne kretser og kobling med høy kontrast.

Det bør understrekes at blant de seks kjerneutfordringene er det ikke å redusere VH som er den foretrukne måten å løse kryss i åpen krets på. Den vanlige industriløsningen bruker funksjonen for å detektere åpen krets i konstantstrømsdriverbrikker for å oppnå nøyaktig feilisolering.

Denne funksjonen kan oppdage LED-enes åpenkretstilstand i sanntid. Når en åpen kretsfeil oppdages, kutter den umiddelbart drivsignalet til den tilsvarende kanalen for å unngå potensiell koblingsforstyrrelse.

Å utelukkende stole på å redusere VH for å løse kryss i åpne kretser reduserer LED-enes langsiktige pålitelighet betydelig. Det oppfyller ikke designkravene for lang levetid for skjermer.

For å hjelpe ingeniører med raskt å bestemme VH-verdien i praktisk design og valg, oppsummerer tabellen nedenfor tilpasningsområdet, kjernebegrensninger og forholdsregler for blankingspenning i ulike applikasjonsscenarier.

Basert på den ovennevnte flerdimensjonale ytelsesavveiningsanalysen og den vanlige VCC=5V strømforsyningsordningen i bransjen, er det å sette blankingspenningen VH mellom 3V~3.4V et rimelig valg som balanserer ulike ytelseskrav.

Kvantitativ verifisering viser at dette området oppfyller begrensningen VH≥VCC-2V (3V≥5V-2V). Det sikrer at LED-reversspenningen styres innenfor sikkerhetsterskelen på 1.4 V.

Samtidig er den nær den kritiske verdien VH>VCC－1.4V (3V>5V-1.4V=3.6V er ikke sant; 3.4V er nær 3.6V). Den kan effektivt undertrykke kortslutningsfeil i larvebåndet. Bare i ekstreme tilfeller kan en enkelt LED lyse svakt, med kontrollerbar påvirkning.

I tillegg kan dette området redusere øvre skyggeeffekter og kobling med høy kontrast til en viss grad. Det er også relativt brukervennlig for tilpasning av store LED-VF-verdier.

Praktisk verifisering av bruksområder viser at denne VH-serien kan tilpasses designkravene til de fleste P1.0~P2.5-skannemoduler. Den kan effektivt lindre de ovennevnte ulike bruksproblemene.

Samtidig som den sikrer skjermkvaliteten til LED-skjermer, balanserer den også LED-enes langsiktige pålitelighet. Den har høy teknisk praktisk verdi.