LED显示屏原理及维修技术

1、LED显示屏原理及调试技术第一章 原理篇第一节 并行灯板原理1. 灯板驱动原理图 1 讲的是如何才能让一颗 LED 灯点亮，我们知道红灯的 Vf 一般为 2.2V 左右，绿灯、蓝灯的 Vf 一般为 3.2V 左右，一般电流设计在 10mA20mA，电流过高 可能会烧坏 LED 灯，满足以上两个条件就可以驱动 LED 灯的正常点亮 。（Vled：是供电电压，一般为 5V，现在有下降的趋势，可以做到低压节能。Vf：是发光二极管正向导通电压，Vds：是驱动芯片导通后电压）图 1灯板实际是由多个 LED 灯组合而成的，下图是一个简单的单色灯板示意图：图 2图 3图 3 是一个 8*8 大小，8 扫的灯

2、板，扫描屏灯板是逐行点亮的，两扫之间扫 描间隔的时间是非常短的，由于人眼的视觉暂留效应，所以我们看起来就是连续 的画面.驱动电路的框架如下图所示，行控制信号 A、B、C 控制 138 译码器，138 译码器输出 8 路信号控制行管 4953，然后 4953 输出端控制灯板每一行灯的阳极。 恒流驱动芯片的每个通道控制灯板的每一列，要想点亮一颗灯板，只需要把它所 在的列输出低电平，行输出高电平即可。2. 驱动芯片的控制信号lCLK 时钟信号：提供给移位寄存器的移位脉冲，每一个脉冲将引起数据移入或移出一位。数据口上的数据必须与时钟信号协调才能正常传送数 据，数据信号的频率必须是时钟信号的频率的 1/

3、2 倍。lLAT（STB）锁存信号：将移位寄存器内的数据送到锁存器，并将其数据 内容通过驱动电路通过点亮 LED 显示出来。lOE 使能信号：当 OE 为低时，启动 OUT0OUT15 的输出，只要调整 OE 脉 宽可以实现对整屏亮度控制，也用于显示屏消隐。lSDI 数据信号：提供显示图象所需要的数据。必须与时钟信号协调才能将数据传送到任何一个显示点。3. 并行驱动的原理数据传输（R、G、B 分为 3 路，每路信号分别级联），R 信号驱动一个像素 点的红灯，G 信号驱动一个像素点的绿灯，B 信号驱动一个像素点的蓝灯，这样 的驱动方式称为并行驱动，也是目前最主流的驱动方式。下图是并行灯板中其中

4、一种颜色的驱动方式，其他颜色的驱动方式与此相同。图 4第二节 串行灯板原理串行灯板和并行灯板中的“串行”或者“并行”是指 RGB 数据的串行或者并 行，并行灯板的 RGB 信号是独立的，每种颜色都有自己单独的数据信号。而串行 灯板的 RGB 信号是通过一根数据线来传输的，这就是串行灯板与并行灯板最本质 的区别，串行灯板主要有以下几种类型。一、三色 16 点串行 支持的芯片:通用芯片(带电流增益的也算)，MBI5041/42，MBI505x；不支持的芯片：MY926x。R1R2R3R4R5R6R7R8R9R10R11R12R13R14R15R16G1G2G3G4G5G6G7G8G9G10G11G

5、12G13G14G15G16B1B2B3B4B5B6B7B8B9B10B11B12B13B14B15B16该方式驱动 IC 与灯的连接关系如下：201918171615141312111098765O15O14O13O12O11O10O9O8O7O6O5O4O3O2O1O0201918171615141312111098765O15O14O13O12O11O10O9O8O7O6O5O4O3O2O1O0201918171615141312111098765O15O14O13O12O11O10O9O8O7O6O5O4O3O2O1O0即每个驱动芯片只带载一个颜色，至于每三个芯片中哪个芯片驱动什么颜色

6、是系统识别的，没有要求。若需要抽点则需要按照像素红、绿、蓝一起抽，比如 R3，G3，B3 都不连， 那像素 3 就抽掉了。关键点是红绿蓝的抽点规律要一样。二、四色 16 点串行 这个应用很少，用于像素结构为两红一绿一蓝的应用，主要用于 4 灯虚拟应用。其支持和不支持的芯片以及连接和抽点规律同上面的三色 16 点串行。三、三色 1 点串行 支持的芯片:通用芯片(带电流增益的也算)。R1G1B1R2G2B2R3G3B3R4G4B4R5G5B5R6G6B6R7G7B7R8G8B8R9G9B9R10G10B10R11G11B11R12G12B12R13G13B13R14G14B14R15G15B15R

7、16G16B16不支持的芯片：MY926x，MBI5041/42，MBI505x。 该方式驱动 IC 与灯的连接关系如下：201918171615141312111098765O15O14O13O12O11O10O9O8O7O6O5O4O3O2O1O0201918171615141312111098765O15O14O13O12O11O10O9O8O7O6O5O4O3O2O1O0201918171615141312111098765O15O14O13O12O11O10O9O8O7O6O5O4O3O2O1O0每个像素里面红绿蓝编排顺序系统可以识别，但是必须相同，比如：不能一个像素是 RGB,下一

8、个像素是 GBR。若需要抽点需要以像素为单位抽，比如将 R5，G5，B5 不连，像素 5 就抽 掉了。四、四色一点串行 这个应用很少，用于像素结构为两红一绿一蓝的应用，主要用于 4 灯虚拟应用。支持的芯片:通用芯片(带电流增益的也算)。 不支持的芯片：MY926x，MBI5041/42，MBI505x。R1G1B1RR1R2G2B2RR2R3G3B3RR3R4G4B4RR4R5G5B5RR5R6G6B6RR6R7G7B7RR7R8G8B8RR8R9G9B9RR9R10G10B10RR10R11G11B11RR11R12G12B12RR12该方式驱动 IC 与灯的连接关系如下：201918171

9、615141312111098765O15O14O13O12O11O10O9O8O7O6O5O4O3O2O1O0201918171615141312111098765O15O14O13O12O11O10O9O8O7O6O5O4O3O2O1O0201918171615141312111098765O15O14O13O12O11O10O9O8O7O6O5O4O3O2O1O0每个像素里面红绿蓝虚拟红编排顺序系统可以识别，但是必须相同，比如：不能一个像素是 RGBRr,下一个像素是 RrGBR。若需要抽点需要以像素为单位抽，比如将 R5，G5，B5，RR5 不连，像素 5就抽掉了。若每个像素里面的虚拟

10、红 Rr 不连空着不用，等价于三色应用，这种模式 也是支持的。五、专用串行 IC上面的四种应用在技术层面都不是串行最佳方案，三色 16 点存在布线难的问题，三色 1 点应用存在红绿蓝由一颗 IC 驱动，电流一样，白平衡调节困难。目 前市面上有专用的串行应用 IC，每个 IC 输出 12 个通道，等价于红绿蓝 4 个像 素，每种颜色有单独的电流调节电阻，目前系统支持 MY9221。示意图如下：第三节 灯板驱动一、常见芯片介绍l74HC245图 574HC245 的作用：信号功率放大，在实际应用中灯板一般需要多块级联在一起使用，这个时候线路会比较长，而控制信号是比较弱的，在传输过程中会造成 衰减，

11、所以，在信号传递过程中需要加 245 将它的功率进行增强。第 1 脚 DIR：为输入输出端口转换用，DIR=“1”高电平时信号由“A”端输入“B”端输出，DIR=“0”低电平时信号由“B”端输入“A”端输出。第 29 脚“A”信号输入/输出端：A1 对应 B1，A2 对应 B2，以此类推。例如： A1 与 B1 是一组，如果 DIR=“1”OE=“0”则 A1 输入,B1 输出。如果 DIR=“0” OE=“0”则 B1 输入,A1 输出。第 1118 脚“B”信号输入/输出端，功能与“A” 端一样，不再赘述。第 19 脚 OE：使能端，若该脚为“1”A/B 端的信号将不导通，只有为“0” 时

12、 A/B 端才被启用，该脚也就是起到开关的作用。l74HC138（三八译码器）74HC138 的作用：八位二进制译码器，74HC138 的作用是用来选择显示行，一个74HC138 可以选择 8 行中的一行，所以如果灯板上有 2 块 74HC138，就可以实现 选择 16 行，也就是通常所说的 16 扫。第 13 脚 A、B、C，二进制输入脚，第 46 脚片选信号控制，只有在 4、5脚为“0”6 脚为“1”时，芯片才会被选通，此时输出才受 A、B、C 信号控制， 其它任何组合方式将不被选通，且 Y0Y7 输出 全为“1”。138 组成 16 扫译码如图所示利用使能端能方便地将两个 3/8 译码器

13、组合成一个 4/16 译码器，当 A3 为低电平时，先驱动低位 138 译码输出，然后 A3 变为高电平，使能高位138 译码输出，从而组成 4/16 译码器。l4953（行驱动管）4953 的作用：又叫行驱动管、功率管，由于要驱动灯板一整行的灯，所需要的 电流是比较大的，所以需要使用行驱动管来驱动，每片 4953 可以驱动 2 个显示 行。其内部是两个 CMOS 管，1、3 脚 VCC，2、4 脚控制脚，2 脚控制 7、8 脚的输出，4 脚控制 5、6 脚的输出，只有当 2、4 脚为“0”时，7、8、5、6 才会输出，否则输出为 高阻状态。74HC595：LED 驱动芯片，8 位移位锁存器。

14、第 8 脚 GND，电源地。 第 16 脚 VCC，电源正极 第 14 脚 DATA，串行数据输入口， 显示数据由此进入，必须有时钟信号的配合才能移入。 第 13 脚 EN，使能口， 当该引脚上为“1”时 QAQH 口全部为“1”，为“0”时 QAQH 的输出由输入的 数据控制。第 12 脚 STB，锁存口，当输入的数据在传入寄存器后，只有供给一 个锁存信号才能将移入的数据送 QAQH 口输出。 第 11 脚 CLK，时钟口，每一个 时钟信号将移入一位数据到寄存器。第 10 脚 SCLR，复位口，只要有复位信号， 寄存器内移入的数据将清空，显示屏不用该脚，一般接 VCC。 第 9 脚 DOUT

15、，串行数据输出端，将数据传到下一个。第 15、17 脚，并行输出口也就是驱动输出口，驱动 LED。二、信号驱动规则控制信号进入驱动板后，一般要驱动比较多的芯片。所以，要先经过 245 驱动。 以 CLK 为例进行说明，输入信号“CLK_IN”经过 245 驱动 4 个同源信号。CLK1、 CLK2、CLK3、CLK4 分别驱动本板内 1/4 的 LED 驱动芯片；扫描行线 A、B、C、D，在本板内只用一个地方，所以经过 245 后输出 2 个同源 信号就可以了。一个输出到下一级驱动板，一个供内部 138 使用；为了避免出现干扰问题建议灯板做成 4 层板，不要做 2 层板，电源线、地线要符 合相

16、关的高速布线规范，减少干扰。三、LED 显示屏常见信号lCLK 时钟信号：提供给移位寄存器的移位脉冲，每一个脉冲将引起数据移入 或移出一位。数据口上的数据必须与时钟信号协调才能正常传送数据，数据 信号的频率必须是时钟信号的频率的 1/2 倍。在任何情况下，当时钟信号有 异常时，会使整板显示杂乱无章。lSTB 锁存信号： 将移位寄存器内的数据送到锁存器，并将其数据内容通过驱 动电路点亮 LED 显示出来。但由于驱动电路受 EN 使能信号控制，其点亮的 前提必须是使能为开启状态。锁存信号也须要与时钟信号协调才能显示出完 整的图象。在任何情况下，当锁存信号有异常时，会使整板显示杂乱无章lEN 使能信

17、号： 整屏亮度控制信号，也用于显示屏消隐。只要调整它的占空 比就可以控制亮度的变化。当使能信号出现异常时，整屏将会出现不亮、暗 亮或拖尾等现象。l数据信号： 提供显示图象所需要的数据。必须与时钟信号协调才能将数据 传送到任何一个显示点。一般在显示屏中红绿蓝的数据信号分离开来，若某 数据信号短路到正极或负极时，则对应的该颜色将会出现全亮或不亮，当数 据信号被悬空时对应的颜色显示情况不定。lABCD 行信号：只有在动态扫描显示时才存在，ABCD 其实是二进制数，A 是最 低位，如果用二进制表示 ABCD 信号控制最大范围是 16 行（1111），1/4 扫 描中只要 AB 信号就可以了，因为 AB

18、 信号的表示范围是 4 行（11）。当行控 制信号出现异常时，将会出现显示错位、高亮或图像重叠等现象。第四节 异形灯板抽点抽行规则目前很多灯板由于尺寸、结构、显示效果等要求，往往会需要抽点或者抽行， 也就是抽列或者抽行，但是我们控制系统对抽点抽行是有要求的，需要按照一定 的规律抽，我们系统才能支持，不然后续往往会造成繁杂的程序定制或者直接是 无法点亮。一、抽点：1) 抽点一般分为两种，一种是 RGB 信号按照统一的规律抽点，这种直接在智能设置的时候选择无亮点就好了，无需修改程序。如下图.2) 第二种是抽最后一个通道的，这种一般是串行驱动才按这种方式抽点， 需要修改程序支持，具体的抽点方式如下图

19、，也称之为抽通道：二、抽行：抽行是一个灯板里面，不同的数据组带载的行数不一样或者单组数据带载有打折，每一折带载的行数不一样，这种带载方式我们称之为抽行。数据 打折的抽行方式如下图：像这种抽行方式，我们可以通过智能设置点亮单组数据的带载区域，然 后通过构造异形点亮箱体。在模组设计的时候，我们不建议抽行，如果一定 要抽行的话，需抽数据组的最后一行。第五节 点检一、点检的原理点检是控制系统通过对驱动芯片的 Vds（驱动芯片通道导通后电压）值进行 判断，从而判断灯板是否有 LED 灯短路或者开路。要实现点检，同时需要驱动芯 片支持。点检的基本过程：系统按照芯片的要求把对应的逻辑时序（启动开路检测， 关

20、闭开路检测）发送给驱动芯片，芯片收到对应命令后自己会执行开路或短路检 测，然后通过 SDO 脚输出点检数据至我们的监控卡或灯板 MCU 的对应引脚。我们 的系统再对芯片输出的点检数据进行组包、回传、解析，并把点检结果显示在 LCT 软件界面或一些显示端口。点检的原理如下图。1) 短路错误侦测是通过比较 Vds 和 Vds,th 阈值的大小，只不过 Vds,th 可由控制器设置成0.33VDD、0.45VDD、0.58VDD 和 0.73VDD，当然根据不同的芯片可能相应的阈值 不尽相同。若检测到 Vds Vds,th 则以错误码 0 显示负载短路。2) 开路错误侦测基于实际输出端的耐受电压(V

21、ds)与目标值(Vds,th)即 0.3V 的比较，来判定每个输出端的 LED 的负载状态。若 Vds Vds,th 则以错误码 0 显示负载开路。 在控制器下达“错误侦测”的指令后，驱动芯片输出端将会以一定的电流开启， 进行开路错误侦测。驱动芯片再通过 SDO 脚输出每一个位。3) 系统侦测基本原理 一般驱动芯片开路错误侦测的原理是基于实际输出端的耐受电压(VDS)与目标值(VOD,TH ) 即阈值电压（个别驱动芯片此值可调整）的比较，来判定每个输 出端的 LED 负载状态。当“强制错误侦测”的指令下达后，驱动芯片输出端将 会以极小的电流开启进行错误侦测。完成开路错误侦测后，驱动器会将错误组

22、态数据搬移“位移缓存器”， 储存在缓存器的错误状态数据将会在新数据输入后， 透过 SDO 脚位输出至每个位。检测电压 Vds,th 很容易就检测到 D1 短路了， 但是当开始检测第二行即 D2 时，由于第一行 Line1 的行电还没有放完，当这个行电 Vr 一旦 大于 Vds,th 时，则检测到的 Vds 就会大于 Vds,th 驱动芯片就会认为第二行 D2 也是负载短路。这样短路检测就会出现多检或虚检的情况了。从点检的可靠性角度出发要求点亮当前行的时候上一行的行线上电压越低 越好。所以点检时要考虑行线的电压的影响。第六节 驱动 IC 的分类与优缺点分析目前市面上的屏驱动 IC，根据芯片架构和

23、显示效果来分类，大致可以分为三类：通用芯片双锁存 ICPWM 型的芯片一、通用芯片：是普通的 ONOFF 型芯片，可以满足基本的显示需求，主要有 MBI5024、TLC59281、ICN2026 等。定位为基础型，芯片架构图如下：lCLK 时钟信号：提供给移位寄存器的移位脉冲，每一个脉冲将引起数据 移入或移出一位。数据口上的数据必须与时钟信号协调才能正常传送数 据，数据信号的频率必须是时钟信号的频率的 1/2 倍。lLAT（STB）锁存信号：将移位寄存器内的数据送到锁存器，并将其数据 内容通过驱动电路点亮 LED 显示出来。lOE 使能信号：当 OE 为低时，启动 OUT0OUT15 的输出，

24、只要调整 OE 脉 宽可以实现对整屏亮度控制，也用于显示屏消隐。lSDI 数据信号：提供显示图象所需要的数据。必须与时钟信号协调才能 将数据传送到任何一个显示点。二、双锁存：主要有 MBI5124、ICN2038、MY9868 等,普通的恒流驱动由 于刷新率不足，明显清晰度不佳，而双锁存驱动可以有效增加刷新率。双锁存顾名思义就是两个锁存器，我们普通芯片如 ICN2026、MBI5020 等只 有一个锁存器；双锁存之所以刷新率会翻倍，是因为一个锁存器存满了在发送的同时另一个锁存器也已经在储存( 一个在信号传输，另一个信号存储 )，就这样无限循环；而普通芯片是单个锁存器的，信号要存储满后发送完才能

25、下一次存储在发送，这样就会相对比较慢。双锁存无形中就提高了我们的效 率，提高刷新率。三、S-PWM 型的芯片：目前主要有 MBI515X 系列、ICN2053、SUM2032 等。PWM高灰阶恒流驱动芯片，具有高刷新率、高灰阶、高恒流精度的高端驱动芯片。PWM 高灰阶恒流驱动芯片，与市面上流通率较高的双锁存恒流驱动芯片或传 统的普通恒流驱动芯片相比，所设计的带载宽度比双锁存驱动芯片和普通恒流驱 动芯片更大、更宽，芯片内部自带存储器，内部的芯片面积比双锁存恒流驱动芯 片和普通恒流驱动芯片大了 4 倍。内置 16 位灰阶控制的 SM-PWM 技术，并可选用不同的外接电阻对输出级电流 大小进行任意调

26、节，精确控制 LED 的发光亮度;并且 SM-PWM 技术通过灰度数据 和灰度时钟共同作用,将 LED 导通的时间平均分散成数个较短的导通时间且保 持灰阶精度不变，不仅提升了刷新率，而且降低对控制器所发送灰度时钟的要求 提升视觉刷新率，进而减少画面的闪烁。内建的 PWM 高刷新算法，具备高刷新、 高灰阶和高利用率等特点。四、主流 IC 功能参数一览表第七节 灯板常见问题的产生原因与解决方案一、余晖 余晖现象是多行扫设计中最早被发现的低灰显示问题之一，主因是显示屏换行与换列的运行间，对于 PCB 上的寄生电容的充放电因素导致让不该点亮的 LED点亮，使用斜扫图案检验时更为明显。余晖现象可分为上行

27、余晖与下行余晖。1) 上余晖现象扫描运行时如图 1 所示，若第一行导通时，LED1 亮，LED3 不亮，此时也会 对第一行 Cpar1 进行充电，而换至第二行导通时，若原本只应让 LED4 亮，但 LED3 也会随之发亮，因为 PCB 上的行寄生电容 Cpar1 被 VLED1 进行充电且保持 住，而在换列时经由 LED3 形成一泄放路径至 Driver-IC 使其 LED 发亮，此为上 余晖效应。解决方式是使用外加泄放电路做为行 PCB 寄生电容的泄放路径，如图 2 所 示，在换行时预先将行寄生电容的电荷泄放，则可解决经由 LED 为泄放路径的问 题，进而将上余晖现象消除。系统参数的调节改善上余晖，主要调节消隐时间、余晖控制结束时刻和换行 时刻来改善，他们之间的相互关系如下：2) 下余晖现象扫描运行时如图 3 所示，若扫第一行时第一