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 (视觉暂留) 反而是件好事：当我们退到一定距离处观看LED数组时，会觉得那是一片明亮均匀的区块，只有仔细靠近看，才看得出一颗颗LED的光点。而分时多任务视觉暂留也会欺骗人的眼睛，就像一连串快速闪过的分割画面会让人觉得在看连续流畅的影片。

如今，我们就利用眼睛/大脑的这种运作行为，设计出各种显示设备：从可为行动应用增添趣味照明效果的小型 4x4 LED 数组，到像工业机器上面板显示器所需的 100x100 LED 数组，或是大型高清晰度视讯墙的 1920x1080 LED 数组，甚至还有许多其他场所，像是赌场、演唱会巨蛋或体育馆等屋顶上的广告牌应用。这些不同应用都有一个共通点，就是每一颗 LED 晶粒都需要基于应用需求个别控制开启或关闭。

但是，除非面板尺寸很小，否则在设计绝大多数面板时，这就会出现一道难题。也就是说，在一个 4x4 的面板中，直接为 16 个 LED 晶粒寻址也许还可行，但若是设计一个尺寸稍微大一点，分辨率为 256 的点矩阵显示屏幕，我们就不可能使用 256 个信道。我们必须找不同的寻址方法。

传统的方法是在点矩阵中以「行」和「列」来定义 LED 坐标。例如在一个 256 LED 点矩阵中，这样的坐标通常为 16x16 的标准形式（见图1）。

图一 : 由16行和16列组成的256-LED 点矩阵

每一列（A-P）都连接了 16 个 LED 的阳极，每一行（1-16）则连接 16 个 LED 的阴极。从图1可看出，配置所有 256 个 LED 只需 32 个信道，远远少于直接部署单个 LED 所需的 256 个信道。因此，驱动点矩阵所需的 pin 数 n 和 LED 数量 m 可以下式表达：

方一

如果我们要控制个别一颗 LED 晶粒，例如 [01,A]，A 列需要连接到 VLED（LED 电源电压），而 01 行则需连接到地（要一个串联电阻以限制电流）。另一种 LED 驱动架构是让 A 列直接连接到 VLED，而 01 行则连接到一个电流汲入 (current sink)。这种作法就可以省去一个限流电阻器 (current-limiting resistor)。

在每个控制 pin 上连接 16 个 LED 有个缺点，就是让我们无法同时显示一个完整的画面（也就是无法同时动用到所有256个点）。例如，当 LED 灯 [01,B] 和 [02,A] 同时点亮，LED [02,B] 就会产生电压差，所以即使是设定为熄灭的状态它仍然会与其他两个灯同时亮起。为了克服这个问题，我们可以利用分时多任务，当画面更新率高于每秒 50Hz时，大脑中的视觉处理会产生无闪烁的连续影像。因此，我们可以让 LED 数组分段依序启动，并让未亮起的其他区段处于三态。区段画面更新率就是画面更新率乘以区段数。

看起来这应该是用于 LED 多任务最好的技术，但这个技术却会需要一颗 pin 数很多的驱动芯片，还有一大片足以容纳 32 个信道导线的印刷电路板。而芯片和印刷电路板越大，BOM 和生产成本也就越高。

为了压低成本，显示器制造商需要的是具有较少 pin 数量的数组显示驱动芯片，所以才会出现「Charlieplexing 」这个技术。这是1995年由一位名叫 Charlie Allen 所提出的架构，他当时在模拟 IC 制造商 Maxim 担任工程师。他的构想是将每个 LED 的阴极和阳极串联到相同的信道（见图2）。

图二 : Charlieplexed 架构下的 16x16 点矩阵

图 2 显示没有一颗 LED 会连到空的对角线。在这些节点，每一行都和一列产生短路。LED 的数量 m 和所需信道 n 之间的关系可以计算为：

方二

底下的方程序 3 显示了 n 经变换后的表达形式。所需的信道数量 n 和所需的 LED 数量 m 之间的关系可以表达为：

方三

我们只要用 16 个信道就可以分别控制 240 颗 LED 晶粒。在 256-LED 显示器的应用中，我们就只需要再加上一个信道；事实上 17 个信道最多可以控制 272 颗 LED。换句话说，驱动芯片的 pin 数几乎减少了 50％。同样的，分时多任务是很重要的。比如，要启动 LED [02,A]，就需把 01 行连到 VLED，而 02 行则需要连到地。所有其他行都处于三态。

然而，减少 pin 数量的作法也不是没有碰到困难。第一个问题来自 Charlieplexed 数组的拓扑结构。图 3 显示寄生平行路径 (parasitic parallel paths) 是 charlieplexed 数组的原生特性。

图三 : Charlieplexed 数组的平行路径

事实上，每个独立的 LED 都与多个串行双 LED 灯平行。这表示，数组中的 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 也有可能会点亮在。

在实作中，显示器生产过程若精准无误， LED 就能精确配对，正向电压误差也就能压低到小于两倍。

但是 charlieplexing 所带来的第二问题却没那么容易解决。当 LED 因短路或开路故障时，就会有问题产生。图 4a 显示短路结果。让我们假定 LED [01,B] 短路，LED [03,B] 应该已开启。02 信道为电流源，从电源为 02 行提供电流。03 信道则配置为一个开关，连接 03 行至地。由于 [01,B] 的短路，A 列和 01 行无意中被拉高（以红色显示）。因此，A 列中的每个 LED 在阳极都存在正压。由于 03 行被拉低所以点亮 [03,B]，03 行中的每个 LED 在阴极都接地（以蓝色显示）。因此，当短路发生时，LED [03,A] 两端电压与 LED [03,B] 完全一样，所以 LED [03,A] 也同样会被点亮。

一般来说，当 LED 发生短路时，连接到下面信道上的 LED 就会发生讨厌的重影现象：

这样的现象在开路 LED 情况下会更明显。图 4b 的应用设计会启动有问题的 LED [01,B]。01 信道配置作为开关，并连接 01 行到接地。03 信道仍保持与前一个例子相同的状态。因此，02 行和 B 列被拉高（显示为红色），01 行和 A 列被拉低（图中蓝色处）。由于配置的 LED 中有一个开路，02 行和 B 列上的电压开始上升（红色所示）。只要其中一个达到正向电压，03 行和 C 列就会通过 LED [03,B] 产生偏压（黄色所示）。 所有 [X,B] LED 灯都会有相同的情况。B 列中的电压逐渐上升，直到到达两倍的 LED 正向电压。现在，所有在 [X,B] 和 [01,x] 的 LED 完全处于偏压所以都点亮了。

图四 : 4a、4b:短路中的 charlieplexed 点矩阵（4a，左）以及开路状态（4b，右）

过去，碍于重影现象以及开路 LED 的问题一直无法解决，所以业界也一直无法采用 charlieplexed 点矩阵技术。但现在 charlieplexing 已进化，发展成 crossplexing 技术，有效解决前者的问题，并减少 pin 数量，这正是 LED 显示器设计业者一直在寻找的解决方案。

如要采用 crossplexing 算法，最重要的就是让系统知道是否有开路或短路。为了便于说明，让我们假设，驱动芯片的布置由位于阳极侧的电源和阴极侧的低电阻开关组成。每一行都需要一个电源和一个开关的组合。

当某个 LED 发生短路时，虽然对电流不会产生任何影响，电源仍将继续提供电流，但却会对电压产生影响：因为短路，电流源输出的电压不会达到 LED 的正向电压，而会处于接地的状态，这就会明确显示出短路。因此，将确定的电压阈值与实际的阳极电压相互比较一下，就可以检测是否发生了短路。

在开路 LED 的例子中，阳极电压将上升至两倍的正向电压，这同样地也明确指出开路的存在。在这种情况下，是否达到绝对电压水平将取决于所使用 LED 的正向电压，但当今市场中的 LED 在这个参数的设定尚存在相当大的差异，所以单个电压阈值不能概括所有的 LED。

根据 LED 的数据手册来分析所有可能的变化并计算开路阈值的最低值在理论上是可行的，但这个最低值可能对许多 LED 是无效的。事实上，这个值可以采用更明智的方法来计算。任何给定的 PCB 面板所具有的最优电压阈值正是面板上所有 LED 的最高正向电压。然而确定这个最优电压阈值，必须测量每一个 PCB 电路板并在组装时完成配置，这个做法其实也不可行且成本高昂。

目前，类似这种方法的技术可以利用奥地利微电子的 AS1119 实现，这颗芯片是一款新的 144 LED crossplexing 数组驱动芯片。 利用这颗芯片的开路/短路检测过程同时使用数组内 LED 的正向电压，就可以确定并自动设置开路状态下最优的阈值电压。

当然，仅仅知道开路或短路的位置无法消除重影。但是，一旦检测到开路的存在，系统就可以储存它的坐标。驱动芯片每次按指令布置 LED 时就会「掩盖」这个位置并忽略指令。这个步骤可以防止 LED 在剩余的点矩阵显示中发生意外操作。在大型数组中，单颗 LED 的关闭完全不会影响到用户的使用感受。

对于短路，防止重影显得更为困难。如上所示，单颗 LED 短路会引起其他多颗 LED 的重影效果。掩盖所有这些发生故障的 LED 来避免重影并不能解决问题，与短路相关的信道都需要停用，但这可能会造成数组中大量 LED 故障。在一个四信道的数组中，停用 01 信道和 02 信道后，只剩下两个可运作的 LED。这将损失整个数组的 83%。对于 16 x16 的数组中，停用两个信道后，240 颗 LED 中就只剩下 182 颗正常工作，损失整个数组的 24%。

每位设计工程师都可以选择自己认为最好的方法，数组越大，停用两个信道所引起的影响就越小。在较小的数组里，若停用两信道这个数组可能就完全无法运作了。是否能接受这些影响，其实主要取决于应用本身。

结论

Crossplexing 方法若结合智能数组驱动电路，就能避免 charlieplexing 拓扑中最主要的缺憾，让我们能在完全不影响影像质量的情况下，预防由损坏的 LED 断路所引起的显示器故障。Crossplexing 的优势在于能让我们采用 pin 数较少的芯片来驱动 LED 数组，也能大大节省 PCB 面积和生产成本。

（作者Peter Rust为奥地利微电子消费及通讯电子设计工程师）