LED矩陣驅動器拓撲結構的研究

對顯示設計工程師來說，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;只有靠近仔細查看才可以看到單獨的LED燈。時間復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/大腦行為使生產各種顯示裝置成為現(xiàn)實，從為移動應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、音樂會或體育場館屋頂上的應用等。雖然這些應用似乎完全不同，但他們有一個共同點：每一個LED需要單獨放置并根據(jù)需要點亮。

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

傳統(tǒng)的方法是通過在點陣中行和列來定義LED坐標。在一個256LED點陣的例子中，這通常被組織成16×16的標準形式(見圖1)。

圖1：由16行和16列組成的256LED點陣。

每一列(A～P)都連接了16個LED燈的陽極，每一行(1～16)連接16個LED燈的陰極。圖1可看出配置所有256個LED燈只需32個通道，遠遠少于直接部署單個LED所需的256個通道。驅動點陣所需的引腳數(shù)量n和LED數(shù)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(需要一個串聯(lián)電阻以限制電流)。而在LED驅動芯片的配置中，列A可能直接連到VLED，而行01連接到一個電流阱。該方法可以減去限流電阻。

在每個控制引腳上連接16個LED的缺點在于，無法同時顯示一個完整的幀(256個點)。例如，如果LED燈[01,B]和[02,A]同時點亮，LED[02,B]會自動產生壓差，與平行的其他兩個燈一起點亮，即使它被設定為熄滅狀態(tài)。為了克服該問題，可以使用時分復用。以50Hz或更高的刷 新速率，人類大腦的視覺處理功能會產生一個無閃爍的連續(xù)幀。因此我們可以讓LED矩陣段順次啟動，同時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多路復用的完美且有效的技術，但它仍然需要一個具有高引腳數(shù)的驅動IC和大到足以容納32個通道導線的印刷電路板。在一般情況下，集成電路和印刷電路板面積越大，材料和生產成本也越高。

顯示器制造商對矩陣顯示驅動器具有較少引腳數(shù)量的需求導致“Charlieplexing”算法的實施，該方法是查理?艾倫在1995年提出的一個架構，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點陣。

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

(2)

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

(3)

使用16個通道即可解決240個LED燈的尋址。在256-LED顯示的例子中，需要一個額外的通道(事實上17個通道就可以布置最多272個 LED)。換言之，驅動器的引腳數(shù)幾乎被減少了50%。同樣，時分復用是必需的。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(shù)量并不是沒有困難的。第一個問題來自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。