陈培腾，王卫东，黎官华

（桂林电子科技大学信息与通信学院，广西桂林541004）



高刷新率LED驱动芯片中PWM控制电路的设计

陈培腾，王卫东*，黎官华

（桂林电子科技大学信息与通信学院，广西桂林541004）

摘要：针对传统LED显示屏刷新率的不足，设计了一种提高LED驱动芯片刷新率的PWM控制电路。将一个刷新周期平均打散分为128段，每段含有256个灰度时钟，占空比由16位灰度数据决定。同时采用基于双边沿触发的灰度计数器，提高了LED显示屏的刷新率，避免画面闪烁。

关键词：LED驱动芯片；控制电路；PWM；刷新率

近年来，LED显示屏因具有节能环保、寿命长、色彩丰富等优点迅速发展成为显示媒体领域的主流［1］。随着科学技术的发展，LED显示屏正朝着高刷新率高灰阶等级方向发展。刷新率越高，人眼越不能感觉到画面的闪烁；灰阶等级越高，显示画面色彩越丰富［2］。

传统的触发器仅对时钟信号的某一边沿有效，另一边沿的时钟跳变纯属成为冗余跳变，表现为单边沿触发器。双边沿触发器对时钟信号的两个边沿跳变都有效，在保持原有时钟频率不变的情况下，则刷新率提高一倍［3］，即在1个完整的显示周期内，数据相当于刷新了2次，提高了刷新率，这是双边沿触发器的优势所在。因此本文设计一种基于双边沿触发的PWM控制电路。

1　PWM控制原理

在传统的PWM中，当计数值小于或等于灰度数据值时，LED导通；当计数值大于灰度数据值时，LED关闭。在一个显示周期内，LED只导通1次，这对灰度时钟GCLK的要求很高，当灰度时钟GCLK达不到要求时，LED显示屏就会因为刷新率不够而出现闪烁［4］。

在本文设计的PWM控制电路中，将1个刷新周期平均分为128个显示段，每个显示段具有256个GCLK周期，采用基于双边沿触发的计数器，数据相当于刷新了2次，即32 768个GCLK周期刷新1次，则总的显示周期刚好包含65 536（128×256×2）个GCLK周期，占空比由16位灰度数据决定。灰度数据的高9位（MSB）和计数值的低9位相比较，产生一定占空比的PWM，控制LED的导通时间来改变亮度。灰度数据的低7位（LSB）和计数值的高7位共同决定显示段的选择。选择显示段的顺序如表1所示。选中的段数为灰度数据的LSB所对应的十进制值，每段高电平包含GCLK周期的个数等于MSB对应的十进制值加1后的一半，未选中的段高电平时间包含的GCLK周期个数等于MSB对应的十进制值。例如灰度数据为0081h时，则MSB为000000001b，那么选中段的高电平时间为1个GCLK周期，LSB为0000001b，那么表示1th段被选中，1th段包含1个GCLK周期的高电平，其余未选中的段包含0.5个GCLK周期的高电平。灰度数据为0082h时，MSB不变，LSB加1，表示选中的段数增加1段，则1th、65th段被选中，1th、65th段包含1个GCLK周期的高电平，其余未选中的段包含0.5个GCLK周期的高电平。灰度数据为FFFFh时，MSB为111111111b，那么选中段的高电平时间为256个GCLK周期，LSB 为1111111b表示1th~127th段被选中，剩余的128th段包含255.5个GCLK周期的高电平。PWM电路的输出与灰度数据的关系如表1所示。

表1　PWM电路的输出与灰度数据的关系

2　基于双边沿触发的计数器

2.1双边沿触发器

双边沿触发器的原理图如图1所示，由3个二选一数据选择器和1个与门构成。其中CLK是时钟信号、RST是复位信号，高电平有效。当CLK由0变为1时，双边沿触发器的主I MUX处于保持状态，主II MUX处于计数状态，此时从MUX选择主I MUX为输出；当CLK由1变为0时，，主I MUX处于计数状态，主II MUX处于保持状态，此时从MUX选择主II MUX为输出。在CLK的作用下，两个主MUX交替处于计数和保持状态，同时，从MUX交替输出，从而实现双边沿触发器的功能［5］。

图1　双边沿触发器的原理图

2.2计数器

16 bit双边沿触发的计数器由16个双边沿触发器构成，其激励函数为：

根据激励函数构造电路完成16 bit计数器的设计，电路如图2所示。其中GCLK为计数时钟，RST为复位信号。当RST为低电平时，各输出端复位到0。当RST为高电平时，16 bit计数器加1计数。在一个显示周期内，包含65 536个GCLK周期，从而实现16 bit计数器［6］。

图2　16 bits双边沿触发的计数器

3　比较器

比较器将每个通道的灰度数据与计数器的计数值相比较，产生一个一定占空比的PWM，控制LED灯的导通时间来改变亮度。当计数器的计数值小于或等于灰度数据时，LED灯被点亮；当计数器的计数值大于灰度数据时，LED灯被关闭。根据上述原理分析可知，选中段比未选中段的高电平时间多0.5个GCLK周期，因此整个比较器要进行两路数据比较，一路是原始的灰度数据的高9位和计数值的低9进行比较，产生PWML；另一路是原始的灰度数据的高9位加1后再和计数值的低9位进行比较，得到的输出再和加法器的进位C经过或门，产生PWMH。比较器电路如图3所示。

图3　比较器电路

加法器由9个半加器组成，能够将数据进行加1，完成了对原始的灰度数据的高9位加1。d7~d15及G为输入信号，其中G为高电平，输出为S0~S8和进位C。当进位C为1时，在一个完整的计数周期内PWMH都保持为高电平，含有65536个GCLK时钟周期。加法器电路如图4所示。

图4　加法器电路

4　译码电路

灰度数据的低7位（LSB）和计数值的高7位共同进行段选，选中的段数等于LSB所对应的十进制值，随着LSB增加1，选中的段数也会增加1段。所谓的温度计译码就是输入的二进制信号所对应的十进制数值是多少，那么输出端就要输出多少个“1”，每当十进制值加1时，温度计码中“1”的个数就增加1个［7］。因此LSB采用温度计译码方式。本文设计的温度计译码电路采用行列译码逻辑来实现，LSB的7位输入信号可以分为4行3列，4行译为15个温度计码，3列译为7个温度计码，结合电源和地构成了16行8列的矩阵，128个输出。每个输出端的工作状态受所在列的温度计码Cn、所在行的温度计码Rn-1和下一行的温度计码Rn共同控制［8］。计数值的高7位为7线128线译码器的输入信号，B1~B128为译码器的输出信号，做为段选信号。译码电路如图5所示。

图5　译码电路

5　输出选择电路及PWM合成

输出选择电路及PWM合成电路如图6所示。比较器产生PWMH和PWML两路信号，每一段PWM的输出Pn由温度计译码的输出Sn决定，当Sn 为1时，则Pn选择PWMH输出；当Sn为0时，则Pn选择PWML输出。段译码器的输出Bn决定哪一段输出，Pn表示第n段输出。最终输出选择电路的输出Pn经过或门后拟合成一个完整的PWM。

图6　输出选择电路及PWM合成电路

6　仿真结果验证及分析

基于Cadence ADE仿真平台中的SpectreVerilog数模混合仿真器对电路进行仿真。对灰度数据0002h、0004h、0082h进行3路仿真，生成3段PWM，分别为pwm1、pwm2和pwm3。为了和德州仪器（TI）的ES-PWM调制方式进行比较，设计ES-PWM电路并对其进行仿真，生成ES-PWM波形，其灰度数据为0004h，在一个显示周期内，仿真结果如图7所示。从上述的原理分析可知，如果采用单边沿触发的灰度计数器，在一个刷新周期内，选中的段数为灰度数据LSB所对应的十进制值。如果采用双边沿触发的灰度计数器，相当于一个显示周期内刷新了两次，即32768个GCLK周期刷新一次。那么在65536个GCLK周期内，选中的段数将是采用单边沿触发计数器时的两倍。pwm1、pwm2灰度数据LSB所对应的十进制值分别为2、4。从仿真结果可以看出，pwm1、pwm2分别有4段、8段高电平，每段的高电平时间为0.5个GCLK周期。灰阶数据为0082h时，高9位（MSB）对应的十进制数为1，低7位（LSB）对应的十进制数为2。所以，在pwm3中有4段高电平含有1个GCLK周期，剩下的252段含有0.5个GCLK周期。从图7中可以看出仿真结果刚好与分析结果相吻合。

图7　PWM仿真结果

图8是65th段的PWM仿真图。65th段在灰度数据0002h、0004h、0082h时都被选中，其分别包含0.5个、0.5个、1个GCLK周期的高电平。上述的原理分析可知，被选中的段高电平包含GCLK周期的个数等于MSB所对应的十进制值加1后的一半，与仿真结果相符合。ES-PWM和pwm2所对应的灰度数据是相同的，都为0004h。从图7、图8中可以看出，高电平时间都是4个GCLK周期，但ES-PWM分为4段，每段高电平时间为1个GCLK周期，而pwm2分为8段，每段高电平时间为0.5个GCLK周期。可见ES-PWM与pwm2的占空比是相等的，但在相同的时钟频率和灰度等级条件下，本文设计的PWM控制电路比ES-PWM的刷新率提升了两倍。

图8　65th段的PWM仿真图

7　总结

本文基于双边沿触发的灰度计数器，设计了一种高刷新率LED驱动芯片中的PWM控制电路，并将一个刷新周期平均打散分为128段，每段含有256个GCLK周期，在一个显示周期内数据相当于刷新了两次。打散前PWM和打散后的PWM占空比相等，占空比由灰度数据的LSB决定，大幅度提升了刷新率。

参考文献：

［1］Qin Song，Yan Sun. ARM9-Based Control System for LED Large Screen Display［C］//Intelligent Networks and Intelligent Systems （ICINIS），2010：217-220.

［2］林信宏.提升高阶显示屏刷新率的方法［J］.现代显示，2009 （8）：53-55.

［3］吴训威，韦健.低功耗双边沿触发器的逻辑设计［J］.电子学报，1999（5）：130-132.

［4］Shih-Mim Liu，Yan-Chi Chou. Color Calibration for a Surround⁃ing True-Color LED Display System by PWM Controls［J］. IEEE Transactions on Industrial Electronics，2014：6244- 6252.

［5］郭中和，杨银堂，姬慧莲.一种CMOS双沿触发器的设计［J］.半导体技术，2003（4）：65-67.

［6］徐扬，沈继忠，雷路路.时钟边沿可控双边沿触发器设计及其应用［J］.电路与系统学报，2011（6）：13-18.

［7］夏钊.一种低功耗10位电流舵DAC的设计与实现［D］.复旦大学，2011.

［8］刘凡，吴金，黄晶生，等.一种高速10位温度计码DAC的设计［J］.电子器件，2007，30（1）：283-286.

陈培腾（1990-）男，汉族，广东湛江人，桂林电子科技大学电子与通信工程硕士研究生，研究方向为专用集成电路设计，1060140637@qq.com；

王卫东（1956-）男，汉族，桂林电子科技大学硕士生导师，教授，中国通信学会高级会员，研究方向为模拟集成电路与电流模式电路；

黎官华（1987-）男，汉族，广西壮族自治区玉林市人，桂林电子科技大学集成电路工程硕士研究生，研究方向为数模混合集成电路设计。

The Design of Cavity Filter at 140 GHz and Study on Processing Technology*

NING Biao1，MIAO Min1，2*

（1.Information Microsystem Institute，Beijing Information Science and Technology University，Beijing 100101，China；2.National KeyLaboratory of Science and Technology on Micro/Nano Fabrication，Peking University，Beijing 100871 China）

Abstract：A rectangular waveguide cavity filter of D band was designed and achieved with inductor diaphragm cou⁃pling by adopting electric spark micro-machining technology. Using the equivalent circuit method a rectangular cav⁃ity filter at 140 GHz was designed. The influence of the cavity number on the main performance of the filter was an⁃alyzed. A four order cavity filter with excellent performance was designed successfully. The center frequency is （140±3）GHz，the insertion loss is within -3 dB，the return loss is below -20 dB. The prototypes were fabricated us⁃ing electric spark micro-machining technology，the bonding technique was employed for the fabrication of filter. The electric spark micro-machining cavity filter with a center frequency of（138.5±3）GHz，insertion loss of -4.4 dB，the test results showed the filter has the band-pass characteristics and filter function in 140 GHz. In the case of con⁃sidering the machining error and fixture loss，the main technique indexes basically accord with the design values.

Key words：filter；cavity；millimeter wave；THz；HFSS；electric spark micro-machining

doi：EEACC：127010.3969/j.issn.1005-9490.2016.01.005

收稿日期：2015-04-16修改日期：2015-05-11

中图分类号：TN432

文献标识码：A

文章编号：1005-9490（2016）01-0016-05