综艺节目舞美用LED显示屏技术概论

成斌

（江苏省广播电视总台，江苏 南京 210008）

综艺节目舞美用LED显示屏技术概论

成斌

（江苏省广播电视总台，江苏 南京 210008）

针对电视综艺节目舞美效果呈现的多样化、差异化，综合江苏卫视在综艺类电视节目中使用LED显示屏幕作为舞美构成元素的相关应用经验，阐述了当前通用综艺节目舞美用LED显示屏技术的构成、相关要点，以及综艺节目舞美用LED显示屏（业内俗称租赁屏）与传统的固定安装LED显示屏（业内俗称工程屏）结构及系统构成的差异特点。

LED显示屏；显示箱体；舞美

1 舞美用LED显示屏的特点

为了满足各不相同的舞美设计要求，综艺节目舞美用LED显示屏（业内俗称租赁屏）与传统的固定安装LED显示屏（业内俗称工程屏）在结构及系统构成上有很大的差异：

1）由多个显示箱体拼接成满足舞美设计要求的显示区域，目前常见的箱体显示面积为480 mm×480 mm，500mm×500mm及1 000mm×500mm等。

2）为便于安装拆卸，显示箱体需要轻便小巧；而伴随显示像素点距的不断减小，为保证显示质量和拼接精度，要求显示箱体有足够高的强度。因此，市场上有用镁钛合金或碳纤维材料制成的显示箱体结构。

3）为提高箱体之间的拼接精度及拆装效率，箱体之间一般均带有快速锁扣装置，甚至诸多厂家在箱体之间还专门提供了定位机关。

4）为保护在频繁拆装过程中可能遭遇碰撞而损坏的LED发光单元，生产厂家通常会在LED发光单元前面安装一层称为面罩的保护部件。

5）为应对电视直播等高可靠性要求的场合，内容源信号及控制信号传输系统至少应具备双冗余备份；同样为了高可靠性的需求，部分厂家还设计了前维护结构或快速替换结构。

2 发光单元（LED灯）

LED显示屏是由LED矩阵构成的显示屏。由于表贴灯的色彩一致性好、视角大、混色效果也非常好，目前舞美用LED显示屏几乎100%采用了表贴三合一工艺。因此本文仅描述表贴灯的相关特性，它主要由芯片、支架、引线、壳体和填充胶构成。

市场上常用的芯片尺寸有6 mil（1 mil=0.001 in= 0.002 54 cm），7 mil，8 mil，9 mil，10 mil，12 mil，14 mil等，相同厂家的晶圆分割成不同尺寸的芯片后，在发光亮度要求一定的情况下其尺寸越小，单位芯片面积要求的驱动电流越大；反之芯片尺寸越大，则单位芯片面积需要驱动电流越小。但因为芯片体积大小的变化，导致其热阻也发生变化，所以在同等发光亮度前提下芯片大小与所需驱动电流之间的关系是非线性的；为保证表贴灯的高亮度、高一致性、高稳定性，芯片选材将是十分重要的工作，例如目前较优的国产芯片组合之一为台湾晶元的红光LED+杭州仕兰的蓝、绿光LED。

支架结构一般分为PCB结构和铁支架、铜支架、铜合金支架等，支架的表层有镀锡和镀银两种工艺，目前市面流行的是铁支架和铜支架，外表镀锡或镀银。不同支架的耐候性是不一样的，业内高端产品使用铜支架较多一些。支架应尽可能采用进口红铜材质及进口PPA材料，从而保证产品的散热性及稳定性。

同样，引线也有铁、铜、合金、金线等多种选择，国产贺利氏99.99%金线是比较适合的产品之一。

交流侧常见的故障有电源或变压器侧的单相、相间以及三相短路故障引起的过流、过压、欠压以及不平衡等。换流器故障主要包括桥臂、电抗器、电容以及其他元器件的各类短路故障。直流侧可分为线路/母线的单极、极间短路故障，断线故障以及交直流碰线故障等。

显示屏用表贴灯中使用的大部分填充胶采用进口日本产品，每个芯片封装公司都会根据产品的特性去调节独有配方比例，从而使表贴灯具有较好的耐热、低光衰及应力适配性。表贴灯结构如图1所示。

图1 表贴灯结构示意图

为了提高显示屏的对比度并降低对舞台灯光的反射，表贴灯在封装时还引入了黑体灯的理念：器件采用全黑体封装设计，从而更好地提高显示屏对比度；器件胶体表面采用雾面设计从而有效降低反光干扰，使屏体画面显示更加柔和鲜艳。但采用黑体灯将大幅度降低同等驱动电流下的发光亮度，从而使得同等亮度需求条件下的LED显示屏制造成本上升。表贴灯实物如图2所示。

图2 表贴灯实物（照片）

为了提高显示屏的水平视角及矫正显示屏水平左右视差问题，表贴灯的封装厂商还采用了“一”字形芯片排列工艺以替代早期的“品”字形排列，如图3和图4所示。

图3 品字型结构示意图与发光示意图

图4 一字型结构示意图与发光示意图

需要留意，同一个显示屏使用的表贴灯必须使用同一批次经过分光分色挑选过的灯，这是因为即使用同一块晶圆上分割出来的、同样大小的芯片，在同等驱动电流情况下其发出的可见光的波长也是有较大差异的（晶圆中杂质分布不匀引起），一般要求同一块显示屏中使用的表贴灯各色波长必须在连续的±5 nm以内。也是因为同样的原因，不同批次的显示屏原则上是不能混合拼接使用的。

3 模组

LED显示屏模组的概念是批量生产的产物，实际上它已经是一个LED矩阵单元，若干个模组即构成了显示箱体的显示面。它由底壳（结构体）、PCB板、面罩构成，其中PCB板上均布了LED表贴灯、驱动IC、译码IC、信号及电源相关接插件等电子元器件。模组结构示意如图5所示。

图5 模组结构示意图

模组的底壳从表面看只是一个PCB板的承载结构体，实际上它自身的精度、强度以及散热性能对显示屏体来说是至关重要的。尽管大部分模组的底壳是由工程塑胶制成，但也有少部分高端产品直接由铝合金材质构成。较小的模组物理尺寸将有利于模组底壳本身的加工精度及强度，但同时也会带来生产效率的降低。

为使得产品能够达到电磁兼容的标准，PCB布线、板载元器件的封装等均需要精准设计与选型。PCB系统设计中，使用滤波器，控制传导干扰；提供合理的去耦电容，使板载驱动IC可靠工作，并降低电源中的高频噪声，从而减少EMI。由于导线电感及其他寄生参数的影响，电源及其供电导线响应速度慢，从而会使高速电路中驱动IC所需要的瞬时电流不足。合理地设计旁路或去耦电容以及电源层的分布电容，能在电源响应之前，利用电容的储能作用迅速为器件提供电流。正确的电容去耦是降低共模EMI的关键；接地设计是减少整板EMI的关键。采用单点接地、多点接地或者混合接地方式。数字地、模拟地、噪声地分开，采用多层板设计，应确保有地平面层，减小共地阻抗。

廉价的驱动IC仅仅为驱动LED提供了恒流的功能（通过限流电阻，出厂后几乎不可再调整），而对LED发光亮度的控制则来自于接收卡的关断控制信号（OE+ DATA=PWM），其最高刷新频率将受制于PCB板可用最高时钟频率的限制。而带PWM自适应脉宽调制功能的驱动IC，除了能够提供恒流驱动的功能以外，其静态电流还可以通过内置的寄存器进行微调（即电流增益调整）。更加不同的是，它调整LED发光亮度的PWM信号由其自身在芯片内部产生，即只要向其提供亮度数据就可以在较高的刷新率下实现对LED发光亮度的控制。带PWM自适应脉宽调制功能的IC即使在电路时钟频率较低的情况下，仍能完美地实现高品质的显示效果（例如，时钟频率仅为6 MHz，常规IC在同样刷新率要求下时钟频率却需要至少18 MHz）。而PCB时钟频率的降低对EMI有着重要的积极意义。

对于恒流驱动IC，它的片间输出电流误差以及针脚间输出电流误差是非常重要的考量指标。大部分单颗恒流驱动IC一般均集成了对8～24颗LED灯的驱动能力，综合考虑显示屏亮度、PCB板元器件承载密度、刷新频率需求、电源功耗乃至制造成本等因素以后，这些恒流驱动IC往往与译码电路共同工作于扫描状态下。

4 面罩

面罩对LED发光管及PCB线路板都可以起到保护作用，使产品在拆装、搬运过程中避免磕碰导致LED灯及PCB板的损坏；同时它还可消除模块化视觉现象（通过设置表面纹理结构），保证显示单元拼装无明显的亮暗线；也可以起到户外防紫外线的作用（通过上方凸起的帽檐）。

由于面罩位于LED表贴灯的前面，所以它的结构对整个显示屏的可视角度将起着重要的作用。同样的原因，它是整个显示屏的脸面，它的颜色一致性也至关重要，所以许多厂家均对其施加“喷油”工艺以增加屏体的外观一致性，同时油墨的颜色也对显示屏的对比度提升有所帮助。

面罩虽小但制造不易，其材质的软硬程度需要适中，平整度要求很高，尤其是其制造公差由于脱模后缩水及环境温度的影响而变得非常难以控制。P5.2面罩实物如图6所示。

图6 P5.2面罩实物（照片）

5 HUB

HUB是连接LED模组和接收卡之间的信号再分配板，简单的方式是用PCB板加排线连接到LED显示模组。因为拆装频率很高，这种连接方式经常容易出现连接不良的现象，但随着舞美屏幕的发展，屏幕信号的稳定性要求越来越高，所以现在对一些高端产品采用PCB板加高速连接器，采用螺丝紧固方式，避免拆装及运输过程中的振动引发HUB板松动而导致显示屏信号不稳定。某型号HUB板正反面如图7所示。

图7 某型号HUB板实物（照片）

HUB是控制系统与显示模组间的桥梁，尽管LED控制系统提供商一般也提供HUB产品，但大部分规模显示屏生产商均自行设计HUB板。HUB在设计中，也需要充分考虑EMI的设计及稳定性。采用稳定性高的接插件焊接工艺，无线材连接，所有的信号及供电均通过PCB来传输，使产品更简洁、工艺更美观，同时避免了采用线材连接产生的传导辐射。在信号连接中还采用了备份冗余，更是增强了产品的稳定性。如图8所示，每个信号都实现了非对称的信号冗余。

图8 HUB板信号冗余示意图

6 接收卡

接收卡在显示屏中是承前启后的一个单元，通过信号传输线（常见为千兆网络线）接收发送卡传递来的控制信号及整屏图像信号，依靠自己的XY坐标设置信息选择出自己要显示的信号后，再将控制信号及整屏图像信号传输给后面的显示箱体；同时将本身筛选出的数据信号经过一定程序的设定，按顺序、分端口地将显示数据信号及显示控制信号输出到HUB板上。

除上述主要功能外，现在的接收卡还必须具备以下功能：高灰度高刷新和低亮度高刷新；冗余备份，数据回传；逐点亮色度校正及逐点亮度矫正信息保存；智能ID设置；异形灯板，异形箱体，异形屏设置；可任意位置抽点；箱体状态监控、温度监控、信号线线通信状态检测；供电电压检测；LED灯开路检测等功能。

在LED行业中，接收卡隶属于控制系统范畴，它一般由LED显示屏幕系统制造商提供。

江苏卫视使用过的接收卡产品实物如图9所示。

图9 江苏卫视使用过的接收卡产品实物（照片）

7 显示箱体

通过对上述各部件与箱体进行组装，实现了显示箱体。

江苏卫视PH5.2彩幕（长500 mm×高500 mm×厚75 mm铝型材箱）的相关设计图如图10所示。

图10 江苏卫视PH5.2彩幕的相关设计图

8 江苏卫视综艺节目中的屏幕舞美应用

在充分理解LED显示屏技术的基础上，用显示箱体来拼接出符合舞美设计需求的显示区域依旧是一项充满创意的挑战。

下面给出几张实际现场应用的图片来加以说明，如图11所示。

图11 实际现场应用效果

[1] 谢勇.LED封装工艺常见异常浅析[J].现代显示，2009（11）：15-17.

[2]徐鹏，王伟强，刘玉萍.剧场布景的变迁——LED显示屏技术应用[J].艺术科技，2010（3）：34-38.

[3]钟冬梅.LED技术发展概述[J].数字通信，2011（3）：41-44.

[4] 汤坤，卓宁泽，施丰华，等.LED封装的研究现状及发展趋势[J].照明工程学报，2014（1）：26-30.

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��健男

2014-06-05

【本文献信息】成斌.综艺节目舞美用LED显示屏技术概论[J].电视技术，2014，38（16）.