LED矩陣驅動(dòng)器拓撲結構的研究

對顯示設計工程師來(lái)說(shuō)，人眼在視覺(jué)處理上有限的分辨率和惰性是一項福祉：從大于一定的距離處觀(guān)看，LED矩陣顯示為均勻的明亮區域;只有靠近仔細查看才可以看到單獨的LED燈。時(shí)間復用也欺騙了人的眼睛，使快速變化的幀成為連續、流暢的畫(huà)面。

如今，這種眼睛/大腦行為使生產(chǎn)各種顯示裝置成為現實(shí)，從為移動(dòng)應用帶來(lái)有趣照明效果的小型4×4 LED矩陣，到用于面板顯示的100×100 LED矩陣;以及，工業(yè)機器中的狀態(tài)信息顯示、大型高清晰度視頻墻中使用的1920×1080 LED矩陣，還有娛樂(lè )場(chǎng)、音樂(lè )會(huì )或體育場(chǎng)館屋頂上的應用等。雖然這些應用似乎完全不同，但他們有一個(gè)共同點(diǎn)：每一個(gè)LED需要單獨放置并根據需要點(diǎn)亮。

對于絕大多數面板(除了非常小的面板)，這就提出了一個(gè)設計上的難題。在一個(gè)4×4的面板中，直接放置16個(gè)LED燈仍是可以實(shí)現的。然而，即使是一個(gè)中等規模的分辨率為256的點(diǎn)陣顯示屏，使用256個(gè)通道是行不通的。因此，我們必須尋找不同的尋址方法。

傳統的方法是通過(guò)在點(diǎn)陣中行和列來(lái)定義LED坐標。在一個(gè)256LED點(diǎn)陣的例子中，這通常被組織成16×16的標準形式(見(jiàn)圖1)。

圖1：由16行和16列組成的256LED點(diǎn)陣。

每一列(A～P)都連接了16個(gè)LED燈的陽(yáng)極，每一行(1～16)連接16個(gè)LED燈的陰極。圖1可看出配置所有256個(gè)LED燈只需32個(gè)通道，遠遠少于直接部署單個(gè)LED所需的256個(gè)通道。驅動(dòng)點(diǎn)陣所需的引腳數量n和LED數量m因此可以表達為：

(1)

為了布置給定的LED，例如[01,A]，列A需要被連接到VLED(LED電源電壓)，而行01需要被連接到地(需要一個(gè)串聯(lián)電阻以限制電流)。而在LED驅動(dòng)芯片的配置中，列A可能直接連到VLED，而行01連接到一個(gè)電流阱。該方法可以減去限流電阻。

在每個(gè)控制引腳上連接16個(gè)LED的缺點(diǎn)在于，無(wú)法同時(shí)顯示一個(gè)完整的幀(256個(gè)點(diǎn))。例如，如果LED燈[01,B]和[02,A]同時(shí)點(diǎn)亮，LED[02,B]會(huì )自動(dòng)產(chǎn)生壓差，與平行的其他兩個(gè)燈一起點(diǎn)亮，即使它被設定為熄滅狀態(tài)。為了克服該問(wèn)題，可以使用時(shí)分復用。以50Hz或更高的刷 新速率，人類(lèi)大腦的視覺(jué)處理功能會(huì )產(chǎn)生一個(gè)無(wú)閃爍的連續幀。因此我們可以讓LED矩陣段順次啟動(dòng)，同時(shí)保證其他部分處于三態(tài)。段刷新率為幀刷新率乘以段數量。

這被證明是一種用于LED多路復用的完美且有效的技術(shù)，但它仍然需要一個(gè)具有高引腳數的驅動(dòng)IC和大到足以容納32個(gè)通道導線(xiàn)的印刷電路板。在一般情況下，集成電路和印刷電路板面積越大，材料和生產(chǎn)成本也越高。

顯示器制造商對矩陣顯示驅動(dòng)器具有較少引腳數量的需求導致“Charlieplexing”算法的實(shí)施，該方法是查理?艾倫在1995年提出的一個(gè)架構，他曾作為一名工程師在模擬IC制造商Maxim任職。該想法是連接每個(gè)LED的陰極和陽(yáng)極到相同的通道(見(jiàn)圖2)。

圖2：Charlieplexed算法下的16×16點(diǎn)陣。

圖2顯示了沒(méi)有LED被連接到空的對角線(xiàn)。在這些節點(diǎn)，每一行都和一列產(chǎn)生短路。LED的數量m和所需通道n之間的關(guān)系可以計算為：

(2)

公式3顯示了n經(jīng)變換后的表達形式。所需的通道數量n和所需的LED數量m之間的關(guān)系可以表達為：

(3)

使用16個(gè)通道即可解決240個(gè)LED燈的尋址。在256-LED顯示的例子中，需要一個(gè)額外的通道(事實(shí)上17個(gè)通道就可以布置最多272個(gè) LED)。換言之，驅動(dòng)器的引腳數幾乎被減少了50%。同樣，時(shí)分復用是必需的。比如要激活LED[02,A]，行01需要被連接到VLED，而行02則 需要被連接到地。所有其他的行都處于三態(tài)。

然而，減少引腳數量并不是沒(méi)有困難的。第一個(gè)問(wèn)題來(lái)自charlieplexed矩陣的拓撲結構。圖3顯示寄生的平行路徑是charlieplexed矩陣的固有特征。