LED矩陣驅(qū)動(dòng)器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的研究
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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)?/strong>結(jié)構(gòu)。圖3顯示寄生的平行路徑是charlieplexed矩陣的固有特征。[!--empirenews.page--]
圖3：charlieplexed矩陣的平行路徑。
事實(shí)上，每一個(gè)單個(gè)LED都與多個(gè)串行雙LED燈平行。這意味著，在矩陣中的LED必須具有相似的正向電壓：如果LED [02,A]和平行路徑上的LED之間的正向電壓誤差接近兩倍，那么在平行路徑上的LED可能會(huì)被無意中點(diǎn)亮。
在實(shí)踐中，一個(gè)管理良好的顯示器生產(chǎn)過程可以確保LED匹配達(dá)到遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于兩倍的正向電壓誤差。
第二個(gè)由Charlieplexing帶來的問題無法輕易避免。當(dāng)LED因短路或開路發(fā)生故障時(shí)，該問題就會(huì)產(chǎn)生。圖4a顯示了短路的結(jié)果。讓我們假定LED[01,B]短路，LED[03,B]應(yīng)該被開啟。02通道被配置為電流源，從電源為行02提供電流。通道03被配置為一個(gè)開關(guān)，連接行03至地。由于[01,B]的短路，列A和行01無意中被拉高(以紅色顯示)。因此，列A中的每個(gè)LED在陽極都存在正壓。由于行03被拉低從而點(diǎn)亮[03,B]，行03中的每個(gè)LED在陰極都接地(以藍(lán)色顯示)。因此，由于短路的原因，LED[03,A]兩端電壓與LED[03,B]完全一樣，也同樣被點(diǎn)亮了。
圖4：短路中的Charlieplexed點(diǎn)陣(4a，左)以及開路狀態(tài)(4b，右)。
一般來說，當(dāng)有LED短路時(shí)，連接到下面通道上的LED會(huì)發(fā)生討厭的重影現(xiàn)象：
● 發(fā)生短路的通道(和相應(yīng)的行)。(在該示例中，就是通道01)
● 通過短路直接連接上面通道的通道(和相應(yīng)的行)。(在該示例中，就是通道02)
該問題在一個(gè)開路LED情況下顯得更加突出。在圖4b中，激活有問題的LED[01,B]。通道01被配置作為開關(guān)連接行01至接地，通道03仍然保持與原先相同的狀態(tài)。因此，行02和列B被拉高(顯示為紅色)，行01和列A被拉低(圖中藍(lán)色部分)。由于在配置的LED中有一個(gè)開路，行02和列B上的電壓開始上升(紅色中所示)。只要其中一個(gè)達(dá)到正向電壓，行03和列C就將通過LED[03,B]產(chǎn)生偏壓(黃色中所示)。所有[X,B]LED燈都會(huì)產(chǎn)生同樣的情況。列B中的電壓進(jìn)一步上升，直到到達(dá)兩倍的LED正向電壓。現(xiàn)在，所有在[X,B]和[01,x]的LED完全處于偏壓并被點(diǎn)亮。
過去，重影現(xiàn)象以及開路LED帶來的潛在問題阻礙了實(shí)施charlieplexed點(diǎn)陣的嘗試。但現(xiàn)在，由Charlieplexing改進(jìn)而來的crossplexing技術(shù)，將有效消除前者帶來的缺陷并提供較少的引腳數(shù)量，這是LED顯示器的設(shè)計(jì)師們一直在尋找的解決方案。
為了實(shí)施crossplexing算法，第一個(gè)要求就是系統(tǒng)必須知道是否存在開路或短路。為了便于說明，讓我們假設(shè)，驅(qū)動(dòng)器的布置由位于陽極側(cè)的電源和陰極側(cè)的低電阻開關(guān)組成。每一行都需要一個(gè)電源和一個(gè)開關(guān)的組合。
當(dāng)單個(gè)部署的LED發(fā)生短路時(shí)，電源仍將繼續(xù)提供電流。然而，從電壓角度來看，卻引起了一定的變化：電流源輸出的電壓將不會(huì)達(dá)到LED的正向電壓(因?yàn)槎搪返脑?，而會(huì)處于接地的狀態(tài)，明確指示短路的存在。因此，將確定的電壓閾值與實(shí)際的陽極電壓進(jìn)行比較就可以檢測是否存在短路。
在開路LED的例子中，陽極電壓將上升至兩倍的正向電壓——同樣地也會(huì)產(chǎn)生存在開路的明確指示。在這種情況下，是否達(dá)到絕對電壓水平將取決于所使用LED的正向電壓，而如今市場中的LED此參數(shù)上存在相當(dāng)大的差異。所以單個(gè)電壓閾值不能概括所有的LED。
根據(jù)LED的數(shù)據(jù)手冊來分析所有可能的變化并計(jì)算開路閾值的最低值在理論上是可行的，但這個(gè)最低值可能對許多LED是無效的。事實(shí)上，這個(gè)值可以采用更明智的方法來計(jì)算。任何給定的PCB面板所具有的最優(yōu)電壓閾值正是面板上所有LED的最高正向電壓。然而，確定這個(gè)最優(yōu)電壓閾值，必須測量每一個(gè)PCB電路板并在組裝時(shí)完成配置，這又是不可行且昂貴的制造步驟。
目前，類似于這種方法的技術(shù)方案可以通過AS1119得以實(shí)現(xiàn)，該芯片是一款新的144 LED crossplexing矩陣驅(qū)動(dòng)器IC。通過該芯片實(shí)現(xiàn)的開路/短路檢測過程與矩陣內(nèi)LED的正向電壓，就可以確定并自動(dòng)設(shè)置開路狀態(tài)下最優(yōu)的閾值電壓。
當(dāng)然，僅僅知道開路或短路的位置無法消除重影。但是，一旦檢測到開路的存在，系統(tǒng)就可以存儲(chǔ)它的坐標(biāo)。驅(qū)動(dòng)器每次按指令布置LED時(shí)就會(huì)“掩蓋”該位置并忽略指令。這個(gè)措施可以防止LED在剩余的點(diǎn)陣顯示中發(fā)生意外操作。在大型矩陣中，單個(gè)LED的關(guān)閉完全不會(huì)影響到用戶的使用感受。
對于短路，防止重影顯得更為困難。如上所示，單個(gè)LED短路會(huì)引起其他多個(gè)LED的重影效果。掩蓋所有這些發(fā)生故障的LED來避免重影并不能解決問題。與短路相關(guān)的通道都需要停用，這可能會(huì)導(dǎo)致矩陣中大量LED的故障。在一個(gè)四通道的矩陣中，停用通道01和通道02后，只剩下兩個(gè)可運(yùn)作的LED。這將損失整個(gè)矩陣的83%。對于16×16的矩陣中，停用兩個(gè)通道后，240個(gè)LED中將只留下182個(gè)仍處于工作狀態(tài)，損失整個(gè)矩陣的24%。
每個(gè)設(shè)計(jì)師可以選擇自己認(rèn)為最好的方法，矩陣越大，停用兩個(gè)通道所引起的影響就越小。是否可以接受這些影響，很大程度上取決于應(yīng)用本身。對于較小的矩陣，停用兩通道可能就無法正常運(yùn)作。
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