Fortschrittlicher LED-Treiber

Die starke Präsenz von LEDs in unserem täglichen Leben ist inzwischen nichts Neues mehr, und der Einfluss, den der ständig wachsende Einsatz dieser Technik auf die verschiedensten Marktsegmente hat, ist nicht mehr zu übersehen. Displays und Schilder sind eines der Gebiete, auf denen es die LEDs bereits zu erheblicher Verbreitung gebracht haben. LED-Lösungen im gesamten Spektrum von Monochrom  bis zu Vollfarb-Implementierungen werden für Verkehrsschilder, Reklametafeln sowie Videodisplays für den Indoor- und Outdoor-Einsatz verwendet, wobei unterschiedlichste Anforderungen gestellt werden und die Komplexität stark differiert.

LED-Videodisplays mit vollem Farbumfang

Vollfarb-LED-Videodisplays geben Bilder und Animationen mit Millionen von Farben wieder. Sportstadien, Gebäudefassaden, Einkaufszentren und Fernsehstudios sind nur einige der vielen Einsatzorte solcher Displays. Die großflächigen LED-Panels werden in der Regel für Werbungs- und Informationszwecke, zur Wiedergabe von Sportveranstaltungen oder Konzerten und vieles mehr verwendet. Ein stark vereinfachtes Blockschaltbild eines LED-Videodisplays ist in Bild 1 zu sehen. Das Video-Eingangssignal, das aus den verschiedensten Quellen stammen kann, wird vor der Weitergabe an das eigentliche LED-Display in der notwendigen Weise aufbereitet. Das Panel selbst ist in der Regel aus zahlreichen quadratischen oder rechteckigen „Bricks“ zusammengesetzt, die jeweils mehrere Pixel umfassen. Jedes Pixel besteht wiederum aus LEDs in den Farben rot, grün und blau (RGB), die das Pixel gemeinsam in der jeweils gewünschten Farbe leuchten lassen. Der als Schnittstelle dienende LED-Treiber sorgt dafür, dass die an seinem Eingang anstehenden, aufbereiteten Daten in Pixel umgesetzt werden, die jeweils mit der richtigen Farbe leuchten und gemeinsam das Bild ergeben. Führt man sich den anvisierten Verwendungszweck dieser großen LED-Videodisplays vor Augen, so wird deutlich, weshalb die Bildqualität hier eine so große Rolle spielt.

Insgesamt sind mehrere Aspekte zu berücksichtigen:

• Das ursprüngliche Bild muss von hoher Qualität sein, damit mit der zwischengeschalteten Datenaufbereitung ein gutes Ergebnis erzielt werden kann.

• Die Größe des Panels, die Auflösung, der Pixelabstand und die sorgfältige Auswahl der LEDs sind jene Parameter, die Einfluss auf die vom menschlichen Auge wahrgenommene Bildqualität haben.

Benötigt wird ein LED-Treiber mit der Fähigkeit, die aufbereiteten Bilddaten in die gewünschten Farb- und Bewegungseffekte zu verwandeln. Da dieser Beitrag eine LED-Treiberlösung für ein LED-Videodisplay beschreiben soll, geht es in den nächsten Abschnitten hauptsächlich um den letzten der drei Aspekte.

Anforderungen an LED-Treiber für LED-Videodisplays

Um hohen Anforderungen an die Bildqualität hinsichtlich der Farb- und Bewegungswiedergabe gerecht zu werden, müssen mehrere Voraussetzungen erfüllt sein, zu denen unter anderem eine hohe Framerate, eine hohe Auffrischungsrate und eine präzise Farbreproduktion gehören. Allerdings bezieht sich der Begriff „Qualität“ hier nicht allein auf das eigentliche Bild, sondern auch auf die Lösung insgesamt, was die Betriebssicherheit und Zuverlässigkeit betrifft.

Aus mehreren Gründen wird für Vollfarb-LED-Videodisplays eine Auswahl anspruchsvoller LED-Treiber benötigt:

• Die Güte der Farbwiedergabe hängt vom Helligkeitsbereich der einzelnen RGB-LEDs ab. Je mehr Helligkeitsabstufungen unterstützt werden, umso größer ist das darstellbare Farbspektrum. Eine sinnvolle und fein abgestufte Helligkeitsregulierung setzt die Fähigkeit zur PWM-Dimmung über einen weiten Bereich hinweg voraus.

• Hohe Frame- und Auffrischungsraten verlangen nach der Fähigkeit, große Datenmengen mit hoher Geschwindigkeit zu verarbeiten. Diese Anforderungen kann der LED-Treiber erfüllen, wenn er ein für hohe Frequenzen geeignetes serielles Interface besitzt und ausreichend flexibel für den Umgang mit verschiedenen Datenformaten ist.

• Ein Fehler in einer oder mehreren LEDs führt zu einer Farbverfälschung des jeweiligen Pixels, beeinträchtigt damit das gesamte Bild und hat Einfluss auf die wahrgenommene Qualität des Gesamtsystems. Eine zuverlässige Methode zum Aufspüren von LED-Fehlern ist deshalb unerlässlich, damit auf dem Videodisplay der angestrebte Effekt erzielt werden kann.

LED-Treiberlösung für Vollfarb-Videodisplays

Innerhalb der großen Familie von LED-Treibern für Displays und Schilder, die STMicroelectronics anbietet, ist der STP1612PW05 (Bild 2) für Vollfarb-LED-Videodisplays konzipiert. Dieser 16-kanalige LED-Treiber besitzt ein für hohe Frequenzen geeignetes serielles Interface. Jeder Kanal unterstützt einen Treiberstrom bis zu 60 mA, der mithilfe eines externen Widerstands programmiert werden kann, und lässt sich mit einem 8-Bit Gain-Register präzise in 256 Stufen einstellen.

Die zunehmende Stromgenauigkeit bei niedrigeren Strömen (typisch ±1,5 % Abweichung von Kanal zu Kanal) ergänzt auf hervorragende Weise die Verbesserungen, die man in der LED-Technologie hinsichtlich der Lichtausbeute erzielt hat. Die Verfügbarkeit immer effizienterer LEDs nämlich erlaubt es den Panel-Herstellern, mit geringeren Strömen die gleiche Helligkeit zu erzielen.

Der Treiberbaustein besitzt für jeden Ausgangskanal eine einzeln einstellbare PWM-Helligkeitsregulierung. Die Vorteile, die die PWM-Dimmung von LEDs bezüglich der Farbstabilität bietet, sind allgemein bekannt. Hinzu kommt hier die große Zahl von Helligkeitsabstufungen (4096 Levels bei 12 Bit bzw. 65.536 Levels bei 16 Bit), so dass insgesamt eine verbesserte Farbnuancierung und eine gesteigerte Videoqualität entstehen.

Zusätzlich verbessert wird die Dimmungseinstellung durch den Scrambled-PWM-Modus. Hierbei werden die gesamten PWM-Zyklen auf mehrere Auffrischungszyklen verteilt. Dies hat den gleichen Effekt wie die Verwendung einer höheren Dimmungsfrequenz unter Beibehaltung derselben Dimmungs-Auflösung, wodurch sich das Flimmern reduziert.

Die Eigenschaften der eingebauten seriellen Schnittstelle des STP1612PW05 entsprechen den Anforderungen an die Datenrate, die Geschwindigkeit der Videowiedergabe und die Flexibilität hinsichtlich des Datenformats: die Daten können mit Taktfrequenzen bis zu 30 MHz übertragen werden, und zwar wahlweise im 16×16-Bit-Format (bzw. 16 x 12 Bit bei 4096 Helligkeitsstufen) oder im stärker komprimierten 256-Bit-Format.

Wie bereits erwähnt, trägt eine betriebssichere und zuverlässige Applikation entscheidend zur Gesamtqualität des Systems bei.

Die Integrität des Bildes wird gewahrt, wenn der STP1612PW05 fehlerhafte LEDs (mit Stromkreisunterbrechung oder Kurzschluss) entdeckt und diese Ergebnisse über sein serielles Interface ausgibt, wodurch Farbänderungen ebenso vermieden werden wie ein Abschalten der betroffenen Pixel.

Das gleichzeitige Einschalten aller LEDs am Beginn eines Video-Frames hat einen beträchtlichen Inrush-Strom mit einer sehr steilen steigenden Flanke zur Folge. Durch die großen Eingangskondensatoren können Oszillationen infolge parasitärer Strompfade sowie Störungen im System entstehen. Dieser Strom lässt sich entscheidend verringern, wenn man die einzelnen Kanäle mit einem gewissen zeitlichen Versatz einschaltet. Jeweils 40 ns vergehen hierbei zwischen dem Einschalten der aus jeweils vier aufeinanderfolgenden Kanälen bestehenden Gruppen (als erstes OUT0 bis OUT3, dann OUT4 bis OUT7 und so weiter).

Sollte das PWCLK-Signal (dieser Takt steuert den PWM-Zähler für die Dimmungsregulierung) aus irgendeinem Grund – beispielsweise durch eine Leitungsunterbrechung – ausbleiben, würden alle LEDs des Videodisplays unbegrenzt lange eingeschaltet bleiben. Dies verhindert nicht nur eine korrekte Bildwiedergabe, sondern kann auch gefährlich für die LEDs sein, die überhitzen und Schaden nehmen können. Im STP1612PW05 kann deshalb eine PWM Clock Timeout-Funktion aktiviert werden, die die LEDs abschaltet, sobald das PWCLK-Signal mindestens eine Sekunde ausbleibt.

Anwendungsbeispiel

Die Vorwärtsspannung und der programmierte Strom zum Erreichen einer bestimmten Helligkeit hängen von der Farbe der LED ab. Rote LEDs haben eine geringere Vorwärtsspannung als grüne und blaue, und blaue LEDs werden in der Regel mit niedrigeren Strömen angesteuert. Aus diesen Gründen ist es empfehlenswert, für jede Farbe einen eigenen Treiber zu verwenden. Bild 3 zeigt eine typische Implementierung des STP1612PW05. Ein Panel-Brick besteht aus 16 Pixeln, die jeweils aus vier farbigen LEDs (eine rote, zwei grüne, eine blaue) zusammengesetzt sind. Jeweils 16 LEDs einer Farbe werden von einem STP1612PW05 angesteuert.

Bei der Festlegung der LED-Versorgungsspannung (VLED) muss in der Regel ein Kompromiss zwischen Anforderungen gefunden werden, die häufig konträr sind. Einerseits soll VLED so hoch gewählt werden, dass die LEDs sicher eingeschaltet bleiben, doch andererseits soll diese Spannung so gering sein, dass der Spannungsabfall an den Stromquellen des LED-Treibers möglichst gering ist, da dieser unnötige Verluste verursacht und zu einer Erwärmung der ICs und des Systems insgesamt führt.

Die Verwendung einer einheitlichen VLED für rote, grüne und blaue LEDs ist ganz eindeutig nicht die beste Lösung. Die Aufteilung der Versorgungsleitungen nach Farbe bietet die Möglichkeit, die Versorgungsspannung für jede LED-Farbe zu optimieren. Damit werden alle LEDs korrekt angesteuert, und gleichzeitig wird Strom gespart.

(sb)