高密度LED显示屏设计问题分析

许 宁

(南京洛普股份有限公司，江苏 南京 210061)

0 引言

伴随着LED显示屏技术的迅猛发展，高密度产品已经成为市场的新宠，精细、逼真的显示效果让客户对其青睐有加，目前显示屏市场竞争异常激烈，传统显示业务增速缓慢，高密度LED显示屏已成新宠。对此，本文着重分析了目前高密度LED显示屏在设计中的问题及解决办法。

1 高密度LED显示屏设计方面的问题

从2012年开始，“高清”、“超高清”、“高密度”、“小间距”等词语频繁出现在各大公司的宣传册上。短短几年的时间，点间距从4mm到3mm、2.5mm、1.9mm、1.6mm、1.4mm、1.2mm，再到目前的1.0mm甚至是0.8mm，高密度LED显示产品已经初步实现了系列化、产业化、规模化。高密度产品像是企业管理与设计水平的放大镜，将原本存在但不突兀的问题放大，如原有的大间距显示屏如果出现一些带亮问题，用户可能不会太过在意，因为观看距离较远不会影响整体显示效果。但如果放在高密度显示屏上，随着分辨率越来越高，最佳的观看距离也会变近，反而会影响观看效果，所以需要对高密度显示屏上出现的一些“通病”进行分析并提出一些改进方法与构想。

1.1 鬼影现象

随着高密度LED显示屏的发展，点间距也变得越来越小，这也就意味着相同面积内的LED数量会越来越多，而LED数量的增多会带来一系列的设计问题，例如：板层增加、驱动芯片数量增多、亮度和电流的关系等。综合以上因素，高密度LED显示屏多会采用1/16以上的扫描方式，称之为“高扫描方式”。鬼影现象是高扫描设计中被发现的显示问题之一，主要原因是显示屏换行与换列的运行间，由于PCB上寄生电容的充放电因素，致使不该点亮的LED点亮，使用斜扫图案检验时更为明显。鬼影现象也可分为上鬼影现象与下鬼影现象，这里主要讨论上鬼影现象，下鬼影现象可以通过驱动芯片自带的功能进行消除。

如图1所示，若第一行第一列导通时，LED1点亮，此时也会对第一行C1进行充电，而当第二行第二列导通时，应只有LED4点亮，但LED2也会随之点亮，因为在换列时经由LED2形成泄放路径至驱动IC会使其发亮，这就是所说的上鬼影。

图1 消除鬼影原理图

如图2所示，在显示斜线扫描的时候上行鬼影尤为明显。

图2 十字架现象

目前的常用解决方案是在行上外加泄放电路做为寄生电容的泄放路径，如图3所示，在换至下一行的时候将上行寄生电容的电荷进行泄放，则可解决上鬼影现象。

1.2 使用假线设计

在显示屏技术高速发展的今天，用户对显示屏观看效果的要求也变得越来越高，不仅是在屏幕显示图案的时候，甚至对屏幕不亮时的效果也提出了较高的要求。所谓“假线”是一种提高显示屏黑屏状况下观看效果的设计方式。并且假线目前也基本只在LED高密显示屏的设计上才会使用。可以通过图4来了解什么情况下才会使用假线设计。

图3 消鬼影原理图

图4 黑屏显示效果

图4是一块1.9mm的高密度LED显示屏，在黑屏状态下，如果从屏幕的侧面观看就会发现有一道道的黑线，这些黑线将模块分成了一个个的长条区域，这样就会影响黑屏状态下屏幕的一致性。这种黑线是扫描屏设计的必然结果，针对这种情况，在设计时就会采用假线设计。这样的黑线在高密屏上被更多关注的原因：1)高密度显示屏观看的距离会比普通大间距室内LED显示屏更近，近距离会暴露出很多以前没有关注过的问题；2)高密度屏的发光管越来越小，通常使用1010或0808封装，发光管之间的间距也变的越来越小，所以这样的黑线问题会变的尤为明显；3)目前高密度显示屏由于间距非常小，导致面罩难以生产加工，没有面罩遮盖，黑线问题就会暴露出来。

图5所标注的断头线即为假线，假线将扫描区所分开的区域连接在一起，这样在观看时就看不出分割的黑线。但假线也会使设计上出现问题，因为假线有断开的网络连接，这样会给查板带来一定的麻烦，稍有不慎就会使印制板设计错误，所以，查图时需要尤为仔细。另外，LED层的走线放置在内层也可以解决此类问题，但将LED层走线完全放置在内层就会导致板层的增加，及相应成本的增加，所以只有当显示屏的密度<1.2mm时才会考虑将LED层的所有走线放置在内层。

图5 假线示意图

1.3 热量分布问题

热量问题一直都是影响电子元件产品成败的重要因素，对LED高密度显示屏也是一样，但LED显示屏和其他电子产品的区别在于LED显示屏是要给人看的，所以在设计时不但要考虑散热问题，还要考虑热量分布的均匀性。由于LED管芯RGB的颜色对温度影响的变化不一样，所以当温度不一致时屏幕的颜色也会有所变化。

随着点间距变小，单位面积内的LED数量和控制芯片的数量也相应地大幅增加。例如前两年比较常用的户内模块点间距是6mm，那么每平方米的点数约为3万个，而对于现在的1.2mm，点数接近每平方米70万个，是原来的20多倍。而随着同面积LED数量的增加，对应控制芯片的数量也会增加。

在常规的设计中，大多都不会考虑将器件均匀放置在PCB上，因为大间距的户内LED显示屏由于密度低，散热通常比较好，并且由于间距大，所以即使有热量过高的地方也无法看出。但对于高密度LED显示屏，如果在设计时仍然将发热量高的芯片集中放置，就会很明显地在屏上看出区域性的偏色现象。

如图6所示，左图为芯片密集放置的热成像图片，右图为集成芯片均匀放置的热成像图片。通过图6很容易看出，如果芯片密集放置会使热量过于集中，在LED显示屏上的表现为热量过高的地方颜色偏红色，即图6的红色区域；热量不高的地方颜色相比较而言会偏青色，即图6的蓝色区域。所以LED高密度显示屏并不是只考虑散热就可以，只有均匀地分布热量才能使屏幕的颜色看上去一致。

图6 热成像对比图

1.4 LED焊盘设计问题

通常在设计高密度印制板时会放置通孔，这种通孔通常的作用是将驱动IC的LED控制信号和LED的焊盘连接起来。但一般设计师会将这种通孔放置在LED的焊盘上，这是因为点间距过小造成LED面焊盘相互之间的间隔很近，导致通孔没有多余的空间放置。通孔放焊盘上会使PCB厂家较难处理焊盘，往往会导致焊盘不平整，出现LED焊接后发光面和PCB面呈现出一定的角度问题，一旦出现角度就会影响到观看的效果。

这样的设计方式在普通大间距LED显示屏上是不会出现问题的，因为普通显示屏的LED焊盘相对较大且较重，焊盘的不平整和回流焊时产生的力不会对焊接造成影响。但高密度屏则不然，随着LED尺寸变小，重量也会越来越轻，目前1010尺寸的LED焊盘的尺寸只有0.3mm×0.3mm左右，在这样的焊盘上放置通孔就会使焊接后的LED产生角度。目前常用的解决方式是用盲孔和埋孔相结合，盲孔可以采用镭射或激光钻孔使孔更小，并且在焊盘的处理上采用沉金工艺来替代原有的喷锡工艺，这样就可以保证LED焊盘的平整度。

2 结束语

LED显示屏行业正处于高速发展期，随着应用领域的不断扩展，小间距产品开始大规模进入市场，其使用场合要求高刷新率、低亮度、高灰阶，更要求近距离观看的细致显示效果。想要做出高显示效果的显示屏就必须从元器件材料选择、电子线路设计、热量控制、工艺等各个环节着手。相信随着技术的进步、价格的民众化，高密度显示屏将会取得更大、更广的市场占有率。