高占空比时的Charlie多路复用

2009年11月04日 10:11    李宽
关键词: Charlie , 多路复用 , 高占空
作者:Luke Sangalli    来源:电子设计技术    日期:2009-09-30

  最近出现了几篇文章,介绍了一些新奇的方法,旨在增加微处理器借助数量有限的引脚所能驱动的LED的数量(参考文献1)。标准的多路复用方法是由于多位七段显示器而流行起来,而在引脚稀少的设计方案中,它已让位于“Charlie多路复用(Charlieplexing)”。

  Charlie Allen在Maxim公司工作期间发明了这种方法,该公司此后一直在推出采用该方法的IC(参考文献2)。Allen利用多数微处理器都可用的高阻抗第三输入状态来关断矩阵中的LED;LED各自微处理器引脚的高电平或低电平状态会分别接通这些LED。利用这种方法,您仅用9根微处理器引脚就能驱动9个七段LED显示器,而通常需要17根。如果是N根引脚,那么您用Charlie多路复用方法就能对N×(N–1)只LED分别寻址。

  人们对Charlie多路复用方法的一个主要不满是关于它糟糕的占空比。曾有一篇设计实例把标准的多路复用方法与Charlie多路复用方法做了比较(参考文献3)。如果使用Charlie多路复用方法,则20只LED组成的显示器的最大占空比仅为5%。但是,占空比数字糟糕的原因并非该方法本身,而是由于微处理器的驱动能力和一些寄生泄漏路径。一根引脚通常无法汲取有效点亮若干LED所需的电流,因此这些设计方案经常需要一根供应引脚和一根汲取引脚,目的是在任何时候只点亮一只LED。但是,如果添加一只晶体管或两只电阻,您就能避开这些问题。

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图1 如果把LED排列成交叉点阵列,并且向每列添加一只晶体管,那么Charlie多路复用方法的占空比就会与标准多路复用方法相似。

  如果把LED排列成熟悉的交叉点阵列形式,并且给每列添加一只晶体管来承载共用电流,那么会发现Charlie多路复用方法的占空比与标准多路复用方法没有很大差别(图1)。对于一个由20只LED组成的5列矩阵,每只LED保持接通的时间为总时间的20%,而标准多路复用方法是25%,但是现在并未使用9根引脚,而只使用了5根(表1)。

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表1LED数量与占空比

  给每列添加晶体管和电阻的缺点之一在于,如果LED数量很大,那么您就需要额外元件来实现合理的LED亮度。但是该方法比使用昂贵IC的方法更好,并且不会比标准多路复用方法或“Guga多路复用”(Gugaplexing)更差,后者也需要额外的晶体管和电阻。从成本和收益的角度看,想一想,当LED数量达到90只时,PCB尺寸和10只额外晶体管或电阻的成本与显示器本身相比,就显得微不足道了。

  如果仔细检查电路,您会注意到它有5根微处理器引脚(P1到P5)可用于总共N×(N–1)=20只LED。例如,当P3处于高电平时,Q3的发射极约为4.4V,此时如果您使 P1、P2、P3或P5处于低电平,那么您就能关断D13、D23、D43或D53。任何一根设为“输入”(或“高阻抗”)的引脚都会关断相应的LED。当P1和P4为低电平时,P3为高电平,P2和P5为高阻抗状态。当P3处于高电平时,晶体管Q3偏置接通,其它所有晶体管基极处于低电平(这可确保电流不会流动)或高阻抗(不向基极供应电流,因此晶体管不导电)。第三列的所有二极管可以接通,但只有D13和D43通过P1和P4(二者均为低电平)以及 100Ω限流电阻建立了一条直接通向地的路径。

  D23和D53连至高阻抗输入引脚,并且只能通过一些尝试接通Q2和Q5的100Ω电阻来导电。由于存在正向电压降(一般为2.2V),因此Q2和Q5的发射极将低于1.6V,如下列方程所示:5VCC–0.6V (Q3)–2.2V (D23或D53)–0.6V (Q3或Q5)–ILED×100Ω<1.6V,其中ILED是LED的电流。这种情形不允许第2列或第5列的任何LED亮度不合理想。

参考文献
1. Lancaster, Don, Tech Musings, August 2001.
2.“Charlieplexing—Reduced Pin-Count LED Display Multiplexing,” Application Note 1880, Maxim, Feb 10, 2003.
3. Gupta, Saurabh, and Dhananjay V Gadre, “Multiplexing technique yields a reduced-pin-count LED display,” EDN, Oct 16, 2008, pg 68.
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alpha321 发表于 2009-11-12 21:26:26
看过,长见识。
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