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LED 陣列驅動晶片拓撲結構的好與壞分析
 

【作者: Peter Rust】   2013年10月28日 星期一

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對顯示設計工程師來說,人眼在視覺處理上有限的解析度和惰性 (視覺暫留) 反而是件好事:當我們退到一定距離處觀看LED陣列時,會覺得那是一片明亮均勻的區塊,只有仔細靠近看,才看得出一顆顆LED的光點。而分時多工視覺暫留也會欺騙人的眼睛,就像一連串快速閃過的分割畫面會讓人覺得在看連續流暢的影片。


如今,我們就利用眼睛/大腦的這種運作行為,設計出各種顯示裝置:從可為行動應用增添趣味照明效果的小型 4x4 LED 陣列,到像工業機器上面板顯示器所需的 100x100 LED 陣列,或是大型高清晰度視訊牆的 1920x1080 LED 陣列,甚至還有許多其他場所,像是賭場、演唱會巨蛋或體育館等屋頂上的看板應用。這些不同應用都有一個共通點,就是每一顆 LED 晶粒都需要基於應用需求個別控制開啟或關閉。


但是,除非面板尺寸很小,否則在設計絕大多數面板時,這就會出現一道難題。也就是說,在一個 4x4 的面板中,直接為 16 個 LED 晶粒定址也許還可行,但若是設計一個尺寸稍微大一點,解析度為 256 的點矩陣顯示螢幕,我們就不可能使用 256 個通道。我們必須找不同的定址方法。


傳統的方法是在點矩陣中以「行」和「列」來定義 LED 座標。例如在一個 256 LED 點矩陣中,這樣的座標通常為 16x16 的標準形式(見圖1)。


圖一 : 由16行和16列組成的256-LED 點矩陣
圖一 : 由16行和16列組成的256-LED 點矩陣

每一列(A-P)都連接了 16 個 LED 的陽極,每一行(1-16)則連接 16 個 LED 的陰極。從圖1可看出,配置所有 256 個 LED 只需 32 個通道,遠遠少於直接部署單個 LED 所需的 256 個通道。因此,驅動點矩陣所需的 pin 數 n 和 LED 數量 m 可以下式表達:



方一
方一

如果我們要控制個別一顆 LED 晶粒,例如 [01,A],A 列需要連接到 VLED(LED 電源電壓),而 01 行則需連接到地(要一個串聯電阻以限制電流)。另一種 LED 驅動架構是讓 A 列直接連接到 VLED,而 01 行則連接到一個電流汲入 (current sink)。這種作法就可以省去一個限流電阻器 (current-limiting resistor)。


在每個控制 pin 上連接 16 個 LED 有個缺點,就是讓我們無法同時顯示一個完整的畫面(也就是無法同時動用到所有256個點)。例如,當 LED 燈 [01,B] 和 [02,A] 同時點亮,LED [02,B] 就會產生電壓差,所以即使是設定為熄滅的狀態它仍然會與其他兩個燈同時亮起。為了克服這個問題,我們可以利用分時多工,當畫面更新率高於每秒 50Hz時,大腦中的視覺處理會產生無閃爍的連續影像。因此,我們可以讓 LED 陣列分段依序啟動,並讓未亮起的其他區段處於三態。區段畫面更新率就是畫面更新率乘以區段數。


看起來這應該是用於 LED 多工最好的技術,但這個技術卻會需要一顆 pin 數很多的驅動晶片,還有一大片足以容納 32 個通道導線的印刷電路板。而晶片和印刷電路板越大,BOM 和生產成本也就越高。


為了壓低成本,顯示器製造商需要的是具有較少 pin 數量的陣列顯示驅動晶片,所以才會出現「Charlieplexing 」這個技術。這是1995年由一位名叫 Charlie Allen 所提出的架構,他當時在類比 IC 製造商 Maxim 擔任工程師。他的構想是將每個 LED 的陰極和陽極串聯到相同的通道(見圖2)。


圖二 : Charlieplexed 架構下的 16x16 點矩陣
圖二 : Charlieplexed 架構下的 16x16 點矩陣

圖 2 顯示沒有一顆 LED 會連到空的對角線。在這些節點,每一行都和一列產生短路。LED 的數量 m 和所需通道 n 之間的關係可以計算為:



方二
方二

底下的方程式 3 顯示了 n 經變換後的表達形式。所需的通道數量 n 和所需的 LED 數量 m 之間的關係可以表達為:



方三
方三

我們只要用 16 個通道就可以分別控制 240 顆 LED 晶粒。在 256-LED 顯示器的應用中,我們就只需要再加上一個通道;事實上 17 個通道最多可以控制 272 顆 LED。換句話說,驅動晶片的 pin 數幾乎減少了 50%。同樣的,分時多工是很重要的。比如,要啟動 LED [02,A],就需把 01 行連到 VLED,而 02 行則需要連到地。所有其他行都處於三態。


然而,減少 pin 數量的作法也不是沒有碰到困難。第一個問題來自 Charlieplexed 陣列的拓撲結構。圖 3 顯示寄生平行路徑 (parasitic parallel paths) 是 charlieplexed 陣列的原生特性。



圖三 :  Charlieplexed 陣列的平行路徑
圖三 : Charlieplexed 陣列的平行路徑

事實上,每個獨立的 LED 都與多個串列雙 LED 燈平行。這表示,陣列中的 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,那麼在平行路徑上的 LED 也有可能會點亮在。


在實作中,顯示器生產過程若精準無誤, LED 就能精確配對,正向電壓誤差也就能壓低到小於兩倍。


但是 charlieplexing 所帶來的第二問題卻沒那麼容易解決。當 LED 因短路或開路故障時,就會有問題產生。圖 4a 顯示短路結果。讓我們假定 LED [01,B] 短路,LED [03,B] 應該已開啟。02 通道為電流源,從電源為 02 行提供電流。03 通道則配置為一個開關,連接 03 行至地。由於 [01,B] 的短路,A 列和 01 行無意中被拉高(以紅色顯示)。因此,A 列中的每個 LED 在陽極都存在正壓。由於 03 行被拉低所以點亮 [03,B],03 行中的每個 LED 在陰極都接地(以藍色顯示)。因此,當短路發生時,LED [03,A] 兩端電壓與 LED [03,B] 完全一樣,所以 LED [03,A] 也同樣會被點亮。


一般來說,當 LED 發生短路時,連接到下面通道上的 LED 就會發生討厭的重影現象:


  • ‧發生短路的通道(和相應的行)。(在該示例中,就是 01 通道)


  • ‧通過短路直接連接上面通道的通道(和相應的行)。(在該示例中,就是 02 通道)



這樣的現象在開路 LED 情況下會更明顯。圖 4b 的應用設計會啟動有問題的 LED [01,B]。01 通道配置作為開關,並連接 01 行到接地。03 通道仍保持與前一個例子相同的狀態。因此,02 行和 B 列被拉高(顯示為紅色),01 行和 A 列被拉低(圖中藍色處)。由於配置的 LED 中有一個開路,02 行和 B 列上的電壓開始上升(紅色所示)。只要其中一個達到正向電壓,03 行和 C 列就會通過 LED [03,B] 產生偏壓(黃色所示)。 所有 [X,B] LED 燈都會有相同的情況。B 列中的電壓逐漸上升,直到到達兩倍的 LED 正向電壓。現在,所有在 [X,B] 和 [01,x] 的 LED 完全處於偏壓所以都點亮了。



圖四 : 4a、4b:短路中的 charlieplexed 點矩陣(4a,左)以及開路狀態(4b,右)
圖四 : 4a、4b:短路中的 charlieplexed 點矩陣(4a,左)以及開路狀態(4b,右)

過去,礙於重影現象以及開路 LED 的問題一直無法解決,所以業界也一直無法採用 charlieplexed 點矩陣技術。但現在 charlieplexing 已進化,發展成 crossplexing 技術,有效解決前者的問題,並減少 pin 數量,這正是 LED 顯示器設計業者一直在尋找的解決方案。


如要採用 crossplexing 演算法,最重要的就是讓系統知道是否有開路或短路。為了便於說明,讓我們假設,驅動晶片的佈置由位於陽極側的電源和陰極側的低電阻開關組成。每一行都需要一個電源和一個開關的組合。


當某個 LED 發生短路時,雖然對電流不會產生任何影響,電源仍將繼續提供電流,但卻會對電壓產生影響:因為短路,電流源輸出的電壓不會達到 LED 的正向電壓,而會處於接地的狀態,這就會明確顯示出短路。因此,將確定的電壓閾值與實際的陽極電壓相互比較一下,就可以檢測是否發生了短路。


在開路 LED 的例子中,陽極電壓將上升至兩倍的正向電壓,這同樣地也明確指出開路的存在。在這種情況下,是否達到絕對電壓水準將取決於所使用 LED 的正向電壓,但當今市場中的 LED 在這個參數的設定尚存在相當大的差異,所以單個電壓閾值不能概括所有的 LED。


根據 LED 的資料手冊來分析所有可能的變化並計算開路閾值的最低值在理論上是可行的,但這個最低值可能對許多 LED 是無效的。事實上,這個值可以採用更明智的方法來計算。任何給定的 PCB 面板所具有的最優電壓閾值正是面板上所有 LED 的最高正向電壓。然而確定這個最優電壓閾值,必須測量每一個 PCB 電路板並在組裝時完成配置,這個做法其實也不可行且成本高昂。


目前,類似這種方法的技術可以利用奧地利微電子的 AS1119 實現,這顆晶片是一款新的 144 LED crossplexing 陣列驅動晶片。 利用這顆晶片的開路/短路檢測過程同時使用陣列內 LED 的正向電壓,就可以確定並自動設置開路狀態下最優的閾值電壓。


當然,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,系統就可以儲存它的座標。驅動晶片每次按指令佈置 LED 時就會「掩蓋」這個位置並忽略指令。這個步驟可以防止 LED 在剩餘的點矩陣顯示中發生意外操作。在大型陣列中,單顆 LED 的關閉完全不會影響到使用者的使用感受。


對於短路,防止重影顯得更為困難。如上所示,單顆 LED 短路會引起其他多顆 LED 的重影效果。掩蓋所有這些發生故障的 LED 來避免重影並不能解決問題,與短路相關的通道都需要停用,但這可能會造成陣列中大量 LED 故障。在一個四通道的陣列中,停用 01 通道和 02 通道後,只剩下兩個可運作的 LED。這將損失整個陣列的 83%。對於 16 x16 的陣列中,停用兩個通道後,240 顆 LED 中就只剩下 182 顆正常工作,損失整個陣列的 24%。


每位設計工程師都可以選擇自己認為最好的方法,陣列越大,停用兩個通道所引起的影響就越小。在較小的陣列裡,若停用兩通道這個陣列可能就完全無法運作了。是否能接受這些影響,其實主要取決於應用本身。


結論

Crossplexing 方法若結合智慧陣列驅動電路,就能避免 charlieplexing 拓撲中最主要的缺憾,讓我們能在完全不影響影像品質的情況下,預防由損壞的 LED 斷路所引起的顯示器故障。Crossplexing 的優勢在於能讓我們採用 pin 數較少的晶片來驅動 LED 陣列,也能大大節省 PCB 面積和生產成本。


(作者Peter Rust為奧地利微電子消費及通訊電子設計工程師)


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