LED矩陣驅(qū)動(dòng)器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的研究

對顯示設(shè)計(jì)工程師來說，人眼在視覺處理上有限的分辨率和惰性是一項(xiàng)福祉：從大于一定的距離處觀看，LED矩陣顯示為均勻的明亮區(qū)域;只有靠近仔細(xì)查看才可以看到單獨(dú)的LED燈。時(shí)間復(fù)用也欺騙了人的眼睛，使快速變化的幀成為連續(xù)、流暢的畫面。

如今，這種眼睛/大腦行為使生產(chǎn)各種顯示裝置成為現(xiàn)實(shí)，從為移動(dòng)應(yīng)用帶來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(jī)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，還有娛樂場、音樂會(huì)或體育場館屋頂上的應(yīng)用等。雖然這些應(yīng)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(dú)放置并根據(jù)需要點(diǎn)亮。

對于絕大多數(shù)面板(除了非常小的面板)，這就提出了一個(gè)設(shè)計(jì)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(xiàn)的。然而，即使是一個(gè)中等規(guī)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(tǒng)的方法是通過在點(diǎn)陣中行和列來定義LED坐標(biāo)。在一個(gè)256LED點(diǎn)陣的例子中，這通常被組織成16×16的標(biāo)準(zhǔn)形式(見圖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(yuǎn)遠(yuǎn)少于直接部署單個(gè)LED所需的256個(gè)通道。驅(qū)動(dòng)點(diǎn)陣所需的引腳數(shù)量n和LED數(shù)量m因此可以表達(dá)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(qū)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(shè)定為熄滅狀態(tài)。為了克服該問題，可以使用時(shí)分復(fù)用。以50Hz或更高的刷 新速率，人類大腦的視覺處理功能會(huì)產(chǎn)生一個(gè)無閃爍的連續(xù)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(shù)量。

這被證明是一種用于LED多路復(fù)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(shù)的驅(qū)動(dòng)IC和大到足以容納32個(gè)通道導(dǎo)線的印刷電路板。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(qū)動(dòng)器具有較少引腳數(shù)量的需求導(dǎo)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(gòu)，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的陰極和陽極到相同的通道(見圖2)。

圖2：Charlieplexed算法下的16×16點(diǎn)陣。

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

(2)

公式3顯示了n經(jīng)變換后的表達(dá)形式。所需的通道數(shù)量n和所需的LED數(shù)量m之間的關(guān)系可以表達(dá)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(qū)動(dòng)器的引腳數(shù)幾乎被減少了50%。同樣，時(shí)分復(fù)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(shù)量并不是沒有困難的。第一個(gè)問題來自charlieplexed矩陣的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。圖3顯示寄生的平行路徑是charlieplexed矩陣的固有特征。