CN112652267B - 一种有源Micro-LED显示屏卷帘显示数字驱动方法 - Google Patents

Abstract

一种具有稳定灰阶和可宽范围亮度调节的Micro‑LED显示屏卷帘显示数字驱动方法，其特征是在低温多晶硅或金属氧化物上实现有源像素驱动电路和两组独立的行扫描驱动电路，在低温多晶硅或金属氧化物上设置数据驱动电路，结合时序控制器，按照位平面分X个子场扫描驱动，实现2^X级灰阶稳定显示；通过“卷帘显示”模式的PWM时间调制技术和分段改变V_LED幅度实现Micro‑LED显示屏的宽范围亮度调节。本发明能保证LED在小电流情况下仍可完成精确的灰阶显示控制，实现稳定灰阶显示，提高显示控制系统的稳定性。

Description

一种有源Micro-LED显示屏卷帘显示数字驱动方法

技术领域

本发明涉及一种显示驱动技术，尤其是一种Micro-LED显示屏驱动控制技术，具体地说是一种采用低温多晶硅或金属氧化物背板的具有稳定灰阶和可宽范围亮度调节的有源Micro-LED显示屏卷帘显示数字驱动方法。

背景技术

Micro-LED显示屏是近几年新兴的显示技术，被业内认为是继LCD和OLED后的下世代的终极显示技术。Micro-LED显示屏是LED显示屏的微型化，其单像素在100微米以下，显示屏尺寸可实现1英寸以下到上百尺寸，可应用于AR/VR、投影、头盔显示、平视显示等微显示领域，可应用于室内、车载、户外等各种显示场合，同时，还可实现柔性及透明显示。

Micro-LED是电流型器件，模拟驱动技术通过调整电流可产生不同的亮度，可以实现灰阶显示以及亮度调节功能，但由于Micro-LED的电流-亮度曲线在小电流时非常陡峭，微小的电流变化会导致较大的亮度变化，导致低灰阶显示难以区分，无法实现稳定灰阶显示，更无法实现宽范围亮度的调节。

常规模拟驱动是采用电压或电流控制显示亮度，实现灰阶显示以及亮度调节功能。模拟驱动控制电路简单，驱动电路复杂。Micro-LED的电流亮度曲线在小电流区域波形陡峭，用电流控制亮度，存在低灰阶无法稳定显示，亮度调节范围小的缺点。

申请号为201680001193.X的中国专利公开了一种用于LED驱动器的模拟及数字调光控制电路，包含用于接收输入信号的输入端子，输入信号可为数字输入信号或模拟输入信号，控制电路经配置以响应于输入信号而提供数字控制信号。控制电路包含：模式检测电路，其用于确定输入信号是数字信号还是模拟信号并提供模式信号，多路复用器电路经配置以响应于模式信号而选择数字参考信号而选择数字参考信号或模拟参考信号，以及比较器，其经配置以用于比较输入信号与由多路复用器选择的信号以提供PWM信号。然而，该方法主要针对照明用大功率LED驱动电路，不适用于Micro-LED显示的驱动控制。

申请号为201810443049.2的中国专利公开了一种微发光二极管显示面板和驱动方法，包含多个像素电路、第一数据线和第二数据线，多个像素电路排列成多行的一矩阵形状，第一数据线耦接于多个像素电路中的第一行像素电路，用于输出第一数据电压至第一行像素电路，第二数据线耦接于多个像素电路中的第二行像素电路，用于输出第二数据电压至第二行像素电路，当多个像素电路共同发光时，第一数据电压于预设时段中具有固定的电压电平，第二数据电压具有非固定的电压电平。然而，该方法主要解决的是微发光二极管的色偏问题，属于模拟驱动技术，存在上文所述的模拟驱动技术的缺点，不适用于Micro-LED在小电流情况下的显示要求。

现有技术没有提出可实现稳定灰阶和宽范围调亮的驱动方法。

因此，探索一种可实现稳定灰阶显示和宽范围亮度调整的Micro-LED显示屏数字驱动技术成为了现今的一个研究热点。

发明内容

本发明的目的是针对现有的Micro-LED驱动技术无法实现稳定灰阶和宽范围调亮调节的问题，发明一种采用低温多晶硅或金属氧化物背板的具有稳定灰阶和可宽范围亮度调节的Micro-LED显示屏卷帘显示数字驱动方法，它包括Micro-LED显示屏数字驱动电路构架、像素驱动电路基本结构、数据驱动器构架、扫描驱动器构架，以及系统的工作原理、控制算法和时序。

本发明的技术方案是：

一种具有稳定灰阶和可宽范围亮度调节的Micro-LED显示屏卷帘显示数字驱动方法，其特征是在低温多晶硅或金属氧化物上实现有源像素驱动电路和两组独立的行扫描驱动电路，在低温多晶硅或金属氧化物上设置数据驱动电路，结合时序控制器，按照位平面分X个子场扫描驱动，实现2^X级灰阶稳定显示；通过“卷帘显示”模式的PWM时间调制技术和分段改变V_LED幅度实现Micro-LED显示屏的宽范围亮度调节。

Micro-LED显示屏数字驱动系统由时序控制器、数据驱动电路和扫描驱动电路、像素驱动电路以及Micro-LED器件构成。

在低温多晶硅或金属氧化物上设计像素驱动电路和扫描驱动电路，在硅上设计数据驱动电路，结合时序控制器实现稳定灰阶显示和宽范围亮度调节。

像素驱动结构上设计用于控制置数的S信号、用于控制关断显示的C信号，根据数据D信号，以及幅度可变的LED驱动电源VLED。信号S，C和D控制Micro-LED的通断。

在时序控制器、数据驱动电路和扫描驱动电路的控制下将一帧视频信号按照位平面分X个子场，实现2^X级灰阶的稳定显示。

在时序控制器和数据驱动电路、扫描驱动电路的控制下，采用场序扫描方式，一帧数字视频信号按照位平面分X个子场，实现2^X级稳定灰阶显示。子场采用“卷帘显示”模式，结合“场序扫描”实现灰阶显示。每子场将Micro-LED的每行像素驱动以扫描行时钟周期H为单位，分为“加载域、显示域、清除域”，或“加载域、显示域”。“加载域”时间固定，为1H。“显示域”的时间与子场相关，满足2^X-1×Y行的时间关系，X为位平面的顺序号，分别为1、2、3、4、5、6、7、8，Y为与亮度等级相关的整数值，单位为H，它是基本位平面的显示时间。Y越大，亮度越高。Y的最小值为1，最大值与帧频相关，保证帧速不小于100Hz。当子场的显示域时间(2^X-1×Y)小于子场的所有行的加载时间V时，该子场每行像素的“清除域”为固定值，等于V。当子场的显示域时间(2^X-1×Y)大于或等于V时，该子场无“清除域”，有利于提高帧频和显示占空比。数字驱动电路在驱动电源V_LED固定时，可实现级灰阶的图像显示和Y级的亮度调节。通过改变V_LED的幅度实现调亮的扩展，设V_LED有N档电压调节，则数字驱动可实现Y^N级亮度调节。

本发明的有益效果：

1、提出了适用于Micro-LED器件特征的数字驱动技术，保证LED在小电流情况下仍可完成精确的灰阶显示控制，实现稳定灰阶显示。

2、提出了“基本位平面显示时间”可变的数字亮度调节技术，结合分段改变V_LED幅度，实现Micro-LED显示屏的宽范围亮度调节。

3、提出了“卷帘显示”的概念，在低灰阶时能够将驱动负载按时间均匀分布，提高显示系统的稳定性。

4、提出了子场扫描时低灰阶子场有“清除域”，高灰阶子场无“清除域”的算法，提高了显示帧频和显示占空比。

附图说明

图1是本发明的驱动电路构架框图。

图2是本发明的像素驱动电路基本结构图。

图3是本发明的数据驱动器构架框图。

图4是本发明的扫描驱动器构架框图。

图5是本发明的低灰阶某行显示时序图。

图6是本发明的高灰阶某行显示时序图。

图7是本发明的低灰阶子场显示时序图。

图8是本发明的高灰阶子场显示时序图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定。

如图1-7所示。

以设计一款分辨率为1280×1024的单色Micro-LED显示屏数字驱动电路为例进行说明。驱动电路由时序控制器(Tcon)、数据驱动器(Data Driver)、扫描驱动器(ScanDriver1、Scan Driver2)以及TFT像素驱动电路组成。其架构框图如图1所示。Data Driver在硅上实现，以COG或COF的形式banding到LTPS背板，Scan Driver1、Scan Driver2采用GOA形式和TFT像素驱动电路在低温多晶硅或金属氧化物上实现。

1、像素驱动电路由三个工作在线性区的TFT(记为T1、T2、T3)及存储电容C组成。其电路基本结构如图2所示。T1在扫描驱动电路1逐行寻址到本行像素驱动电路时将数据驱动器的列数据存储在电容C上，T2在扫描驱动电路2逐行寻址到本行像素驱动电路时将存储在电容C上的数据清零，T3根据C上数据电平开关LED的阳极到V_LED，Micro-LED共阴极到驱动电源地，控制LED的发光。像素驱动电路共1280×1024个，每个驱动电路对应一颗LED器件。

2、数据驱动器(Data Driver)由40位双向移位寄存器(40-bit Bi-directionalshift Register)、输入寄存器(Input Register)、数据锁存器(Data Latch)以及电平变换器(Level Shifter)组成，如图3所示。在外部水平移位时钟CLK和DIO(1/2)的控制下实现32点数据到1280点数据的移位锁存，经电平转换送到低温多晶硅或金属氧化物TFT像素驱动电路的数据端D。数据移位寄存器具有左右方向控制功能。

3、扫描驱动器(Scan Driver)由1024位双向移位寄存器(1024-bit Bi-directional shift Register)、电平变换器(Level Shifter)、输出驱动器(OutputBuffer)组成，如图4所示。1024位双向移位寄存器在水平移位时钟VCK和STV(R/L)的控制下实现1024级移位锁存，经过level shifter电平移位和output buffer输出驱动，送到低温多晶硅或金属氧化物TFT上。Scan Driver1的输出送到TFT的Scan(S)端，ScanDriver2的输出送到TFT的Clear(C)端。

扫描驱动1(Scan Driver 1)产生G1、G2……G1024共1024行扫描信号，扫描驱动2(Scan Driver 2)产生G’1、G’2……G’1024共1024行清除信号，数据驱动(Data Driver)产生从S1、S2……S1280共1280列的数据信号。

4、驱动电路的工作原理如下：

在低灰阶的子场，扫描驱动1(Scan Driver 1)和扫描驱动2(Scan Driver 2)都可在时序控制器(Tcon)的控制下产生顺次扫描信号。扫描驱动2(Scan Driver 2)的扫描脉冲滞后于扫描驱动1(Scan Driver 1)的脉冲。在高灰阶子场，仅扫描驱动1(Scan Driver 1)在时序控制器(Tcon)的控制下产生顺次扫描信号，扫描驱动2(Scan Driver 2)停止扫描。

扫描驱动1(Scan Driver 1)在行驱动脉冲STV(R/L)和VCK的控制下产生负脉冲逐行移位扫描，顺次打开TFT像素驱动电路的T1，将数据驱动(Data Driver)的驱动数据存储到电容C1，而此时与T2相连的扫描驱动2(Scan Driver 2)的扫描脉为低电平，T2处于关闭状态，不会改变电容C的电平。存储在C的电平施加在T3的栅极，实现对LED驱动显示。

为了实现256级灰阶，采用每帧8个子场的“场序扫描”实现灰阶显示。每帧的每行像素显示时间满足2^X-1×Y行的时间关系，X为位平面的顺序号，分别为1、2、3、4、5、6、7、8，Y为与亮度等级相关的整数值，单位为H。Y越大，亮度越高。Y的最小值为1，最大值与帧频相关，保证帧速不小于100Hz。数字驱动电路在驱动电源V_LED固定时，可实现X级灰阶的图像显示和Y级的亮度调节。

将Micro-LED的每行像素驱动以扫描行时钟周期H为单位，分为“加载域”、“显示域”，“清除域”。“加载域”时间固定，为1H，“显示域”为扫描驱动1和扫描驱动2的驱动脉冲间隔时间，其值决定了显示屏的亮度。图5为低灰阶的子场某行的显示控制时序。图6为高灰阶的子场某行的显示控制时序。

在低灰阶的子场，LED显示屏的“显示域”小于整屏加载时间V时，扫描驱动2(ScanDriver 2)将负极性的扫描脉冲输出给T2的栅极时，存储在C的电平通过T2对V_REF地放电，T3关断LED电流，LED熄灭。每行的“清除域”为固定值，等于一个子场的所有行的加载时间V。将这种顺次“显示”-“熄灭”的控制方式定义为“卷帘显示”模式。其显示时序图如图7所示。

在高灰阶子场，子场的显示域时间(2^X-1×Y)大于或等于子场的所有行的加载时间时，该子场无“清除域”，有利于提高帧频和显示占空比。其显示时序图如图8所示。

数据驱动包括1280列，每行40个脉冲的移位寄存时间，1个脉冲的消隐时间，时钟为100MHz，一场共1024行。所以，每场加载扫描时间为：

第一场SF1到第八场SF8中，每场的加载扫描时间相同，为0.42ms。第一场显示时间为Y，第二场显示时间2Y，依次，第八场显示时间为128Y。

当Y＝1，即最小亮度时，一帧的时间为：

最大亮度时，为使LED屏稳定显示，无闪烁，要保证帧速大于100Hz，那么要求一帧的总时间要小于等于10ms。先假设每个子场都存在“清除域”。

假设Y＝63，第N子场的“显示域”为2^(N-1)×Y，V＝1024H，可知，N＝6时满足“显示域”大于V的条件。表明在8个子场中，第6、7、8三个子场可以没有“清除域”。重新计算Y的值：

取Y＝75，当显示屏最大设计亮度为100000cd/m²时，若V_LED固定，最小亮度为：

表明数字驱动电路在驱动电源V_LED固定时，可实现1333cd/m²到100000cd/m²的亮度调整。

当数字驱动电路的驱动电源V_LED分3段改变时，即N＝3，取Y＝75，则可实现亮度调节的级数为：

75³＝421875

最小亮度为：

因此，可实现从0.24cd/m²到100000cd/m²的宽范围亮度调整，调整级数为421875级。

上述仅为本发明的部分具体实施方式，但本发明的设计构思并不局限于此，凡利用此构思对本发明进行非实质性的改动，均应属于侵犯本发明保护的范围的行为。但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何形式的简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。

本发明未涉及部分与现有技术相关或可采用现有技术加以实现。

Claims (6)

1.一种有源Micro-LED显示屏卷帘显示数字驱动方法，其特征是在低温多晶硅或金属氧化物上实现有源像素驱动电路和两组独立的行扫描驱动电路，在低温多晶硅或金属氧化物上设置数据驱动电路，结合时序控制器，按照位平面分X个子场扫描驱动，实现2^X级灰阶稳定显示；通过“卷帘显示”模式的PWM时间调制技术和分段改变V_LED幅度实现Micro-LED显示屏的宽范围亮度调节；在时序控制器和数据驱动电路、扫描驱动电路的控制下，采用场序扫描方式，一帧数字视频信号按照位平面分X个子场，实现2^X级稳定灰阶显示；子场采用“卷帘显示”模式，结合“场序扫描”实现灰阶显示；每个子场将Micro-LED的每行像素驱动以扫描行时钟周期H为单位，分为“加载域、显示域、清除域”，或“加载域、显示域”；“加载域”时间固定，为1H，“显示域”的时间与子场相关，满足2^X-1×Y行的时间关系，X为位平面的顺序号，分别为1、2、3、4、5、6、7、8，Y为与亮度等级相关的整数值，单位为H，它是基本位平面的显示时间，Y越大，亮度越高，Y的最小值为1，最大值与帧频相关，保证帧速不小于100Hz；当子场的显示域时间（2^X-1×Y）小于子场的所有行的加载时间V时，该子场每行像素的“清除域”为固定值，等于V；当子场的显示域时间（2^X-1×Y）大于或等于V时，该子场无“清除域”，有利于提高帧频和显示占空比；数字驱动电路在驱动电源V_LED固定时，可实现级灰阶的图像显示和Y级的亮度调节。

2.根据权利1所述的方法，其特征在于所述的像素驱动电路在低温多晶硅或金属氧化物上实现，采用3个TFT和1个存储电容的3T1C基本像素驱动结构，3个TFT均工作在线性区；像素驱动结构上设计有用于控制置数的S信号、用于控制关断显示的C信号，数据D信号，以及幅度可变的LED驱动电源V_LED。

3.根据权利1所述的方法，其特征在于在低温多晶硅或金属氧化物上设置两组独立的扫描驱动电路；扫描驱动电路由与Micro-LED显示屏的行数一致的双向移位寄存器及其电平变换、输出缓冲器组成。

4.根据权利1所述的方法，其特征在于在低温多晶硅或金属氧化物上设置数据驱动电路，数据驱动电路由双向移位寄存器、32位数据输入寄存器、行锁存器以及电平变换电路组成。

5.根据权利1所述的方法，其特征在于通过改变V_LED的幅度可实现调亮的扩展，设V_LED可N档调节，则数字驱动电路可实现Y^N级亮度调节。

6.根据权利1所述的方法，其特征在于“卷帘显示”在低灰阶时能够将驱动负载按时间均匀分布，以提高显示控制系统的稳定性。

Images