全彩LED显示屏驱动技术研究与设计最完整的分析！

目前，大尺寸彩色LED显示屏已成为高清晰度平板显示器的主流产品。这是一种由发光二极管及其显示驱动器集成电路芯片组成的显示单元组成的大型平板显示设备。显示单元中的集成电路驱动芯片主要用于接收来自后端控制系统的数字信号，驱动前端发光二极管导通，实现信息显示。因此，驱动芯片的性能对显示质量起着关键作用。近年来，随着LED显示器的快速发展，专用芯片已成为大型彩色LED显示器的主流驱动芯片，但仍有一些关键问题需要解决，其核心是多位置恒流驱动显示技术。精确的多位恒流驱动决定了大型彩色LED显示器的一致性、一致性和商业价值。

基于CSMCμM 5V CMOS技术，采用高精度基准电压电阻和驱动电流输出匹配技术，设计了一种适用于户外工作环境的16位彩色LED显示屏恒流驱动芯片。仿真测试和流片验证表明，该芯片满足应用要求。

芯片的系统结构如图1所示。电路系统主要包括带隙基准、恒流基准、高精度电流放大器和逻辑控制模块。其中，带隙基准模块产生高精度、低不平衡基准电压，恒流基准模块利用基准电压和外电阻产生恒流基准电流，每个通道的高精度电流放大器完成基准电流的放大，逻辑控制模块完成串并联转换，实现各通道的控制功能。

在带隙基准模块中，由于运算放大器不是完全对称的，因此存在失平衡电压和低频噪声。同时，晶体管失配引起的随机误差对基准源的精度有很大影响。因此，鉴于带隙基准模块的温度稳定性、抗噪声性能和精度，本文设计了图2所示的带隙基准组件的结构，包括启动和偏置电路、带隙基准电压源主电路、振荡器、RC低通滤波器和电流镜等。当模块刚刚通电时，启动电路帮助电路离开零点；偏置电路主要为振荡器和运算放大器提供适当的稳定偏置。这里，功率无关偏置技术用于设计启动和偏置电路，以提高功率抑制比和电压调节比，并提高带隙基准模块的精度。带隙基准电压源主电路由运算放大器、斩波调制电路和解调电路组成。需要指出的是，本文采用斩波调制技术来消除运放的输入偏置电压，有效地抑制器件噪声。振荡器产生互补方波信号，用于斩波调制解调电路中MOS开关管的开关控制。这里，由移相器组成的环形振荡器用于通过移相器塑造另一个波，确保信号的输出质量并减少芯片面积。一个RC低通滤波器连接到运算放大器的输出，以进一步消除噪声影响。电流镜为其他电路模块提供偏置电流，MOS管电流源直接由带隙基准电压源的输出电压偏置，提高了温度稳定性，降低了传输偏置电压的干扰程度。

利用Hspice仿真器对带隙基准模块的温度进行扫描，扫描范围为-40°C至80°C。结果表明，当电源电压VDD=V和五个不同的工艺角度改变时，基准电压与温度的最大偏差为mV，温度系数达到PPM/℃。

本设计的电流基准模块中恒采用运算放大器的外接精密电阻和负反馈方式，为高精度电流放大器提供恒流基准。考虑到高精度电流放大器工作在开关状态，设计中添加了改进的电流镜、钳位电流镜和跟随器，如图3所示。运算放大器采用两级结构，并由Muller进行补偿，以确保系统的稳定性。同时，插入电阻消除了零点的影响。改进后的电流镜用于减小通道长度调制效应引起的失配，提高输出阻抗和输出驱动电流的匹配精度。钳位电流镜可以提高电流镜的速度，支持25MHz数据移位频率和高速电流响应；跟随器隔离了高精度电流放大器对恒流参考模块的干扰。

仿真结果表明，在VDD=V和各种工艺角度下，恒流参考模块产生的参考电流与-40℃~80℃的外部电阻REXT成反比，其大小为V/REXT，偏差在%范围内。

高精度电流放大器直接连接到LED，其输出驱动电流的开关由逻辑控制模块控制。当逻辑控制模块的输入从有效变为无效时，上拉网络和下拉网络用于关闭运算放大器和输出，以达到快速关闭LED的目的。电路结构如图4所示。此外，考虑到高压管电容的影响，使用放电电路消除输出驱动电流中的杂波。

图4中运放电路的交流特性由Hspice仿真器扫描。结果表明，OP的开环增益为99 dB～103 dB，单位增益带宽为MHz～2MHz，相位裕度为62°～70°。

逻辑控制模块用于接收、锁定、串并联转换和启用外部显示数据的控制。结合脉宽调制，输出16位LED逻辑控制信号，实现LED显示屏的开关控制和灰度控制。在本文的逻辑控制模块中，特别设计了SDO脚和OE脚，使外部显示数据可以通过SDO脚串行输入，以支持高达25MHz的数据移位时钟频率，并在彩色LED显示屏上实现快速图像刷新。脉宽调制用于控制启用的OE脚，以实现对彩色LED显示器的灰度和亮度的动态控制。在每个输入引脚上添加一个施密特触发器进行整形，以消除由于接地电容和长传输线的存在对波形上升和下降边缘的影响。

通过Maxplus仿真验证了上述逻辑控制模块的逻辑功能。结果表明，逻辑控制模块完成了外部数据的串并转换，并锁定和启用输出数据。

随机失配和系统失配会导致芯片性能下降。因此，在版图设计中，本文采用了具有叉指结构的MOS管，并在两侧添加了冗余虚拟体，以减少上述两种不匹配。同时，应注意匹配MOS管与其他晶体管之间的间距，以免引起背栅掺杂浓度的变化，导致阈值电压和跨导的变化。

此外，考虑到当输出电路驱动两个或多个串联led时，输出NMOS管将承受超过10V的电压。因此，本文基于CMOS标准工艺，通过调整单个工艺，例如，采用低掺杂浓度的N阱，并将N阱用作漂移区，以提高耐压性。同时，NMOS高压管被金属2覆盖，用作漏极出口，从而节省布局面积并降低导线电阻。

基于上述电路设计和仿真验证结果，在CSMCμm N阱CMOS标准工艺规则下完成了物理设计和版图验证，得到了面积为1630μm×1230μm的芯片版图。

这些样品已由工业和信息化部电子第五研究所中国赛博实验室测试。电压范围为V~7V，温度范围为-40℃~80℃。样品工作正常。当数据移位时钟的工作频率为25MHz时，表1列出了本文开发的样品的主要技术参数的测试结果，并与台湾聚合LED显示器广泛使用的16位恒流驱动芯片MBI5026进行了比较。

表1 LED显示屏16位恒流驱动芯片主要技术指标

本文研制的芯片具有功耗低、电压和电流纹波系数小的优点，可用于大型户外彩色LED显示屏。