LED显示屏应用三大主要问题的成因及解决策略
柏狮光电智能显示总工程师 任兴业
LED显示屏是集电子、电力、计算机、通讯、信息、图像处理、光学、材料、结构等多学科技术于一体的高科技工程产品。这其中的任何一门学科领域里的相关工程技术问题均会影响整个显示屏的最终运行效果。一个完美的LED显示屏必然是多学科技术的有机结合体。
LED是LED显示屏的最重要的基本元素，本文主要就LED显示屏的亮度、一致性和失效性等问题简要阐述了其成因，与LED的相互关系及相关改进的有效举措。
一、LED显示屏亮度问题
LED亮度是显示屏亮度的重要决定因素。LED亮度越高，使用电流的余量越大，对节省耗电、保持LED稳定有好处。LED有不同的角度值，在芯片亮度已定的情况下，角度越小，LED则越亮，但显示屏的视角则越小。一般应选择100度的LED以保证显示屏足够的视角。针对不同点间距和不同视距的显示屏，应在亮度、角度和价格上找到一个平衡点。
LED单管亮度物理上限制了屏的最高亮度，而实际亮度影响因素还有扫描方式，信号点亮效率，色彩校正因素等。选择的符合色彩和亮度要求的某个亮度值，LED显示屏的最高亮度可以表示为：Lm=（η*L* gmax）/S,Lm 是实际需要的显示屏亮度值，L是所选LED的亮度，η是屏体信号点亮效率，gmax是色彩校正因素，S是系统的扫描方式（可取1,2……）。在进行全彩LED显示屏设计应用时，在选择单基色的亮度的时候，我们需要考虑三基色的白平衡亮度的问题，尽量使三基色的标称值接近3:6:1（红：绿：蓝）。
受半导体技术和封装技术的限制，早期的LED灯管光效低，红、绿、蓝基色的发光强度小， 所以整个显示屏的亮度值低是主要问题。由于灯管光效低，为了满足显示屏亮度需要，LED驱动电流设定值一般较高，电流设定高必然导致LED工作温度升高，这将不利于显示屏的长期使用；通过恰当设计像素点组合来提高像素点亮度，如采用多个LED灯管串联来提高单基色的亮度值，从而达到提高LED显示屏的亮度，是以前工程应用中常使用的设计方法，但是这样必然增加整个显示屏的成本。随着LED芯片及封装技术的发展，LED灯管的光效得到大大提升，已经完全能够满足LED显示屏的户内外的亮度需求，并且可以将LED的工作电流设定在额定安全工作电流之下以确保系统可靠性。
用于室外的LED显示屏应该在阳光下也能观看，所以亮度必须与背景有亮度差（比）。如果显示的是文字可以是2:1,如果是图像其中还有差别，经验上10:1是容许的最低限度，20:1是标准，希望在40:1以上。在暗室测定最大图像信号输入的亮度Lm及某种外光无信号亮度Lb,然后可以计算出对比度V=（Lm+Lb）/Lb.实际工程中从结构上，增加面罩的色深，增加面罩的帽檐和反光台阶的设计，均可以有效地提高户外显示屏的对比度效果。
LED显示屏点阵模块驱动一般采用恒流驱动芯片来完成，该芯片内部包括串行移位寄存器、串并转换和恒流驱动等功能电路组成如图一所示。恒流芯片是将控制器的亮度信号转换成驱动LED发光的恰当的驱动电流的转换器件。恒流器件的开关恒流的品质因素将影响LED显示屏的有效亮度。特别是当显示屏的刷新频率和显示灰度级数越高的情况下，恒流芯片将更加明显地影响整个显示屏的亮度。如图一所示，显示屏的供电电压V-LED也将是影响亮度的一个重要因素之一，特别是当其电压低于LED正常导通电压时，LED发光效果受到影响，从而影响了整个显示屏的亮度。
图一 LED静态恒流驱动电路
综上所述，为了解决显示屏应用出现的亮度问题，我们可以采取的切实可行的举措包括：
采用高亮度晶片，高取光率选LED灯管，在保证白平衡亮度要求的同时设计预先留足余量；
进行恰当的像素点组合设计，保证像素点合理的出光视角，通过灯的合理排布和结构设计，
增加显示屏的视觉对比度；选用高品质的恒流驱动芯片，进行合理的驱动电流和电压设计，
以保证LED高效的驱动。
当然，保证LED高效的驱动需要企业强大的研发和技术实力为支撑，LED显示行业经过近几年的高速发展，也成长起来了一批优秀的显示屏应用及显示光源封装企业，如显示光源封装企业--柏狮，经过数年的发展壮大，现在拥有自己的显示研发实验室，致力于LED显示技术的研究，并联合国内着名重点科研院所进行了大量的LED显示屏应用方面的技术研究工作。
二、LED显示屏白平衡一致性问题
LED显示屏是由大量的LED灯管组成，特别是采用直插灯的户外LED显示屏，白平衡一致性问题相当普遍，这是业界经常遇到的棘手问题。
全彩显示屏是由无数个红、绿、蓝LED组成的像素拼成的，每种颜色LED的亮度、波长的一致性决定了整个显示屏的亮度一致性、白平衡一致性、色度一致性。一般来说，显示屏厂家要求器件供应商提供5nm的波长范围及1:1.3的亮度范围的LED,这些指标可由器件供应商通过分光分色机进行分级达到。电压的一致性一般不做要求。一般来说，LED亮度差异在1:1.3的亮度范围，红光波长差异小于5nm,蓝绿波长差异小于3nm,这样的灯管组成的显示屏（LED显示屏其他条件完美无缺）将是白平衡一致性相当好的，相反条件下的显示屏可能会出现花屏、一致性不好的效果。
由于LED是有角度的，故全彩LED显示屏同样具有角度方向性，即在不同角度观看时，其亮度是会递增或递减的。这样，红、绿、蓝三种颜色LED的角度一致性将严重影响不同角度白平衡的一致性，直接影响显示屏视频颜色的保真度。要做到红、绿、蓝三种LED在不同角度时亮度变化的匹配一致性，需要在封装透镜设计、原物料选择上严格进行科学设计，这取决于封装供应商的技术水平。法线方向白平衡再好的显示屏，如果LED的角度一致性不好，整屏不同角度的白平衡效果将是糟糕的。LED器件的角度一致性特性可用LED角度综合测试仪测出，对于中、高档显示屏尤为重要。红绿蓝LED的光形曲线图一致性越好，整个显示屏的一致性将更好。由于R/G/B在不同角度亮度不一致而造成色泽不均匀，难以达到不同角度白平衡一致性；并且单色光型曲线的离散分布严重，将造成显示屏的一致性差。
实际生产中的LED灯是有亮度差异的，如果亮的LED集中在一个模块，暗的LED集中在另一个模块，这样的差异就很明显，所以一定要在生产采用混灯工艺使LED灯在显示屏上成正态分布，从而使整屏的显示一致性效果较好；如果直插灯在安装时，灯不平整， LED灯的出光一致性较差，将直接影响显示屏白平衡的一致性效果，所以必须增加“整灯工艺”来保证LED显示屏的平整度。
如图一所示恒流芯片输出电流精度的差异和调整电阻的精度差异可能会影响LED发光效果，从而影响显示屏白平衡一致性；信号系统的编码和信号传输的带宽差异也可能影响LED显示屏的白平衡一致性。在LED点阵模块的设计中，像素点的组合排布合理与否，可能会影响LED灯的出光效果和像素点的光学叠加效果，从而影响显示屏的一致性；PCB布局和走线合理与否，致使供电和温度分布的差异，而影响了显示屏的白平衡一致性。
LED的光学参数与pn结结温有很大的关系。若环境温度较高，LED主波长或λp就会向长波长漂移，尤其是点阵、大屏幕的温升对LED的可靠性、稳定性影响很大。LED器件发光区材料的禁带宽度值直接决定了器件发光的波长或颜色。InGaAlP和InGaN等LED的芯片材料属于III-V族化合物半导体，它们的性质与GaAs相仿，当温度升高时，材料禁带将减小，导致器件发光波长变长，颜色发生红移，波长随结温变化表示为：λ（T2）=λ（T1）+▽T*K （nm/℃）。一般K=0.1,每当结温升高10度，则波长向长波漂移1nm,且发光的均匀性、一致性变差。2~5nm的波长变化，人眼就可以感觉到，人眼对不同的颜色感知灵敏度存在很大的差异，在蓝、绿区，很小波长就将导致人眼感觉上变化，从而对蓝绿LED器件的温升效应提出了更高的要求。
综上所述，为了解决白平衡一致性问题我们建议的举措是：
1、对于LED显示屏产品而言，对产品采用一定的检测的方法和手段固然重要，但鉴于产品不菲的价值且很多缺陷是无法通过事后维修解决，检测和检验能为后续产品改善提供依据和方向，但不能改变既成事实的缺陷产品，因此事前控制显得尤为珍贵。能够稳定有效地保证对LED封装的整个制程的合理控制，包括物料分档控制，保证亮度、波长的一致性；分光分色设备的严格管理，专人专机操作机台及工位，保证产品的各项参数的一致性。
2、在封装透镜设计、原物料选择上严格进行科学设计，做到红、绿、蓝三种LED在不同角度时亮度变化的匹配一致性；在LED显示模块设计时，合理选用驱动电路和信号处理算法，并进行PCB的合理优化设计，以保证恒流精度和减小显示屏模块内部温差；在LED显示模块生产时采用合理的混灯工艺控制。
3、由于LED显示屏的像素LED的差异性，或者电子显示屏在工作一段时间后，每一颗LED会出现不同程度的亮度和色度的下降，严重影响显示效果。采用亮度和颜色矫正控制技术，可实现亮度<1%,色度Cx/Cy<0.003精度的校正，迅速提升显示屏显示效果，使得更新以后的模块与已经工作过一段时间以后的模块保持亮度和色度的一致。点校正运算公式为：
Rout = Rin * A（1,1） + Grnin * A（1,2） + Bluin * A（1,3）
Gout = Rin * A（2,1） + Grnin * A（2,2） + Bluin * A（2,3）
Bout = Rin * A（3,1） + Grnin * A（3,2） + Bluin * A（3,3）
目前，国内有少数企业建立起来了显示研发实验室，联合国内高校及科研院所，针对点校正进行了大量研究，笔者所在的柏狮公司就已经研发出行业领先的点校正技术，确保显示屏长期有效使用。
三、LED失效问题
LED是全彩LED显示屏的最关键器件，相当于电脑的CPU.LED的选择已经决定了整个显示屏50%以上的质量。如果未能选择好LED,显示屏的其他部件再好也无法弥补显示屏质量的缺陷。由于全彩显示屏由上万甚至几十万组红、绿、蓝三种LED组成的像素点组成，任一颜色LED的失效均会影响显示屏整体视觉效果。一般来说，按行业经验，在LED显示屏开始装配至老化72小时出货前的失效率应不高于万分之三（指LED器件本身原因引起的失效）。
LED失效一般包括以下三大类：短路（漏电）、开路、暗亮。短路（漏电）一般是由于模块电路中的冲击电流太大造成LED芯片性能发生变化，芯片漏电流增大引起；开路可能静电或其他原因造成LED芯片被击穿；暗亮，一般是由于LED不恰当使用致使胶体里面进水汽，影响了LED的光学效果。
针对LED失效问题。首先应用设计出发，需要选好恰当的电路，从电路接口减少静电威胁，杜绝大电流脉冲损坏LED的工作状态发生，需要设计合理的结构保护密封LED,杜绝可能外力拉伤LED管腿的现象发生。
其次在生产中注意合理使用LED的细节掌控：注意物料的投料使用合理的掌控，对于过期的物料一定要做防潮工艺处理；注意防静电措施的严格掌控，显示屏装配工厂应有良好的防静电措施，专用防静电地、防静电地板、防静电烙铁、防静电台垫、防静电环、防静电衣、湿度控制、设备接地（尤其切脚机）等都是基本要求，并且要用静电仪定期检测；须严格控制好波锋焊的温度及过炉时间。建议为：预热温度100℃±5℃，最高不超过120℃，且预热温度上升要求平稳，焊接温度为245℃±5℃，焊接时间建议不超过3秒，过炉后切忌振动或冲击LED,直到恢复常温状态。
波峰焊机的温度参数要定期检测，这是由LED的特性决定的，过热或波动的温度会直接损坏LED或造成LED质量隐患，尤其对于小尺寸如3mm的圆形和椭圆形LED;LED显示屏在出现LED不亮时，往往有超过50%概率为各种类型的虚焊引起的，如LED管脚虚焊、IC管脚虚焊、排针排母虚焊等。这些问题的改善需要严格地改善工艺并加强质量检验来解决。出厂前的高温和常温老化测试、振动测试也不失为一种好的检验方法。
LED产品失效问题的有效控制是封装、显示屏设计、生产和显示屏工程中需要注意预防控制的重要环节。而这些环节的有效保障需要我们行业孕育出更多像柏狮、国星、雷曼、利亚德等这样的优秀企业，推行更加严格的品质管理体系，从设计、采购、生产、品质检测、包装、运输、售前和售后跟踪全过程进行产品的品质监测，确保产品“品质服务零缺陷”,推动整个行业的健康有序的成长。