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作者: 发布时间:2013-08-26 来源: 繁体版
对显示设计工程师来说,人眼在视觉处理上有限的分辨率和惰性是一项福祉:从大于一定的距离处观看,LED矩阵显示为均匀的明亮区域;只有靠近仔细查看才可以看到单独的LED灯。时间复用也欺骗了人的眼睛,使快速变化的帧成为连续
对显示设计工程师来说,人眼在视觉处理上有限的分辨率和惰性是一项福祉:从大于一定的距离处观看,LED矩阵显示为均匀的明亮区域;只有靠近仔细查看才可以看到单独的LED灯。时间复用也欺骗了人的眼睛,使快速变化的帧成为连续、流畅的画面。

如今,这种眼睛/大脑行为使生产各种显示装置成为现实,从为移动应用带来有趣照明效果的小型4×4 LED矩阵,到用于面板显示的100×100 LED矩阵;以及,工业机器中的状态信息显示、大型高清晰度视频墙中使用的1920×1080 LED矩阵,还有娱乐场、音乐会或体育场馆屋顶上的应用等。虽然这些应用似乎完全不同,但他们有一个共同点:每一个LED需要单独放置并根据需要点亮。

对于绝大多数面板(除了非常小的面板),这就提出了一个设计上的难题。在一个4×4的面板中,直接放置16个LED灯仍是可以实现的。然而,即使是一个中等规模的分辨率为256的点阵显示屏,使用256个通道是行不通的。因此,我们必须寻找不同的寻址方法。

传统的方法是通过在点阵中行和列来定义LED坐标。在一个256LED点阵的例子中,这通常被组织成16×16的标准形式(见图1)。


图1:由16行和16列组成的256LED点阵。
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每一列(A~P)都连接了16个LED灯的阳极,每一行(1~16)连接16个LED灯的阴极。图1可看出配置所有256个LED灯只需32个通道,远远少于直接部署单个LED所需的256个通道。驱动点阵所需的引脚数量n和LED数量m因此可以表达为:

(1)
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为了布置给定的LED,例如[01,A],列A需要被连接到VLED(LED电源电压),而行01需要被连接到地(需要一个串联电阻以限制电流)。而在LED驱动芯片的配置中,列A可能直接连到VLED,而行01连接到一个电流阱。该方法可以减去限流电阻。

在每个控制引脚上连接16个LED的缺点在于,无法同时显示一个完整的帧(256个点)。例如,如果LED灯[01,B]和[02,A]同时点亮,LED[02,B]会自动产生压差,与平行的其他两个灯一起点亮,即使它被设定为熄灭状态。为了克服该问题,可以使用时分复用。以50Hz或更高的刷 新速率,人类大脑的视觉处理功能会产生一个无闪烁的连续帧。因此我们可以让LED矩阵段顺次启动,同时保证其他部分处于三态。段刷新率为帧刷新率乘以段数量。


这被证明是一种用于LED多路复用的完美且有效的技术,但它仍然需要一个具有高引脚数的驱动IC和大到足以容纳32个通道导线的印刷电路板。在一般情况下,集成电路和印刷电路板面积越大,材料和生产成本也越高。

显示器制造商对矩阵显示驱动器具有较少引脚数量的需求导致“Charlieplexing”算法的实施,该方法是查理?艾伦在1995年提出的一个架构,他曾作为一名工程师在模拟IC制造商Maxim任职。该想法是连接每个LED的阴极和阳极到相同的通道(见图2)。


图2:Charlieplexed算法下的16×16点阵。
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图2显示了没有LED被连接到空的对角线。在这些节点,每一行都和一列产生短路。LED的数量m和所需通道n之间的关系可以计算为:

(2)
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公式3显示了n经变换后的表达形式。所需的通道数量n和所需的LED数量m之间的关系可以表达为:

(3)
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使用16个通道即可解决240个LED灯的寻址。在256-LED显示的例子中,需要一个额外的通道(事实上17个通道就可以布置最多272个 LED)。换言之,驱动器的引脚数几乎被减少了50%。同样,时分复用是必需的。比如要激活LED[02,A],行01需要被连接到VLED,而行02则 需要被连接到地。所有其他的行都处于三态。

然而,减少引脚数量并不是没有困难的。第一个问题来自charlieplexed矩阵的拓扑结构。图3显示寄生的平行路径是charlieplexed矩阵的固有特征。


图3:charlieplexed矩阵的平行路径。
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事实上,每一个单个LED都与多个串行双LED灯平行。这意味着,在矩阵中的LED必须具有相似的正向电压:如果LED [02,A]和平行路径上的LED之间的正向电压误差接近两倍,那么在平行路径上的LED可能会被无意中点亮。

在实践中,一个管理良好的显示器生产过程可以确保LED匹配达到远远小于两倍的正向电压误差。


第二个由Charlieplexing带来的问题无法轻易避免。当LED因短路或开路发生故障时,该问题就会产生。图4a显示了短路的结果。让我们假定LED[01,B]短路,LED[03,B]应该被开启。02通道被配置为电流源,从电源为行02提供电流。通道03被配置为一个开关,连接行03至地。由于[01,B]的短路,列A和行01无意中被拉高(以红色显示)。因此,列A中的每个LED在阳极都存在正压。由于行03被拉低从而点亮[03,B],行03中的每个LED在阴极都接地(以蓝色显示)。因此,由于短路的原因,LED[03,A]两端电压与LED[03,B]完全一样,也同样被点亮了。


图4:短路中的Charlieplexed点阵(4a,左)以及开路状态(4b,右)。


LED矩阵驱动器拓扑结构的研究
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