LED-Displays Matrixtreiber-Topologien unter der Lupe

Große LED-Anzeigesysteme sind eine praktische Sache, doch haben sie einen entscheidenden Nachteil: Jede einzelne LED muss individuell angesteuert werden, was den Aufwand gewaltig in die Höhe treibt. Moderne Ansteuerungs-Mechanismen sollen diese Aufgabe vereinfachen.

Die eingeschränkte Auflösung und Trägheit der Bildverarbeitung durch das menschliche Auge ist ein Segen für die Entwickler von Bildschirmen und Displays: Eine LED-Matrix erscheint ab einer gewissen Entfernung als gleichmäßig helle Fläche, nur beim genaueren Hinsehen werden die einzelnen Lichtpunkte sichtbar. Auch Zeitmultiplexverfahren täuschen das menschliche Auge, dementsprechend wirken schnell wechselnde Einzelbilder wie ein kontinuierliches, übergangsloses Bild.

Diese Verhaltensweise von Auge und Gehirn ermöglicht heute ein breites Spektrum an Displaykonfigurationen. Dieses reicht von den kleinen 4x4-Punktmatrizen, die für nett anzusehende Lichteffekte in mobilen Applikationen eingesetzt werden, über 100x100-LED-Panels, die beispielsweise zur Anzeige von Statusinformationen bei industriellen Anlagen dienen, bis hin zu riesigen hochauflösenden (HD, High Definition) Videowänden mit 1920x1080 oder sogar mehr LEDs, die auf den Dächern von Casinos, bei Konzerten oder in Sportstadien zu finden sind.

Obwohl diese Anwendungen sehr unterschiedlich erscheinen, haben sie doch eines gemeinsam: jede einzelne LED muss separat angesprochen werden, um sie nach Bedarf aufleuchten zu lassen. Für sämtliche Panelformate mit Ausnahme der sehr kleinen Größen bedeutet dies eine Herausforderung im Design. Bei einem 4x4-Panel ist eine direkte Ansteuerung jeder der 16 LEDs noch möglich, doch bereits für ein mittelgroßes Punktmatrix-Display mit einer Auflösung von 256 Punkten ist es nicht praktikabel, 256 Kanäle vorzusehen. Daher ist eine andere Methode der Adressierung notwendig.

LEDs ansprechen

Die konventionelle Methode ist die Definition von LED-Koordinaten durch die Bezeichnung jeder Spalte und Reihe in der Dot-Matrix. Im Beispiel einer 256-LED-Punktmatrix würde dies typischerweise in einer 16x16-Struktur umgesetzt (Bild 1). Jede Spalte (A bis P) ist mit einer Anode von 16 LEDs verbunden und jede Reihe (1 bis 16) ist mit einer Kathode von 16 LEDs verbunden.

Aus Bild 1 geht hervor, dass so nur 32 Kanäle zur Ansteuerung aller 256 LEDs nötig sind - deutlich weniger als die 256 Kanäle, die notwendig wären, um jede Leuchtdiode direkt anzusteuern. Die Anzahl der Pins n, die bei diesem Verfahren zur Ansteuerung einer Punktmatrix mit m LEDs notwendig sind, ist in Gleichung (1) ausgedrückt.
(1) «math xmlns=¨http://www.w3.org/1998/Math/MathML¨»«mi»n«/mi»«mo»§nbsp;«/mo»«mo»=«/mo»«mo»§nbsp;«/mo»«mn»2«/mn»«mo»§nbsp;«/mo»«mo»§#183;«/mo»«mo»§nbsp;«/mo»«msqrt»«mi»m«/mi»«/msqrt»«/math»
Zur Ansteuerung einer bestimmten LED, zum Beispiel [01,A], muss die Spalte A mit VLED (der LED-Versorgungsspannung) verbunden werden, während die Reihe 01 an Masse zu legen ist (hierbei ist ein in Serie geschalteter Widerstand zur Strombegrenzung notwendig). In einer alternativen Treiberkonfiguration könnte die Spalte A an VLED kurzgeschlossen werden und eine Stromquelle bei Reihe 01 eingeschaltet werden. Durch diese Herangehensweise ist der strombegrenzende Widerstand überflüssig.

Ein Nachteil des Kurzschließens von 16 LEDs an jedem Steuer-Pin besteht darin, dass es nicht mehr möglich ist, zur gleichen Zeit ein Vollbild (also sämtliche 256 Punkte) darzustellen. Sind beispielsweise die LEDs [01,B] und [02,A] gleichzeitig eingeschaltet, so ist die LED [02,B] ebenfalls automatisch versorgt und wird zusammen mit den anderen beiden LEDs aufleuchten - obwohl sie eigentlich dunkel bleiben sollte.

Zur Lösung dieses Problems kann ein Zeitmultiplexverfahren zum Einsatz kommen. Bei einer hohen Bildwiederholrate von 50 Hz oder mehr erzeugt die Bildverarbeitung des menschlichen Gehirns nämlich ein zusammenhängendes Bild ohne Flimmern. Dies ermöglicht eine sequentielle Aktivierung von Segmenten der LED-Matrix, während der Rest im Tri-State verbleibt.

Die Segmentwiederholrate ergibt sich in diesem Fall aus der Bildwiederholrate multipliziert mit der Anzahl der Segmente. Diese Technik eignet sich sehr gut zum Multiplexen von LEDs, sie benötigt jedoch immer noch einen Treiber mit relativ hoher Pin-Anzahl und eine Leiterplatte in entsprechender Größe zur Verdrahtung von 32 Kanälen. Dabei steigen die Bauteile- und Produktionskosten im Allgemeinen mit der Größe des ICs und der Leiterplattenfläche an.

Abwechselnd treiben

Die Nachfrage der Displayhersteller nach Treibern für Matrixanzeigen mit niedrigeren Pin-Anzahlen führte zur Implementierung des »Charlieplexing«-Verfahrens. Diese Architektur wurde 1995 von Charlie Allen vorgeschlagen, der beim Analog-IC-Anbieter Maxim tätig war. Die Idee beruht darauf, dass ein Kanal wahlweise sowohl für die Ansteuerung von Kathoden als auch von Anoden bestimmter LEDs verwendet wird (siehe Bild 2).

Bild 2 zeigt, dass keine LEDs mit der leeren diagonalen Linie verbunden sind, denn an diesen Knoten wird jede Reihe mit einer Spalte kurzgeschlossen. Die Anzahl der LEDs m, die durch n Kanäle angesteuert werden können, gibt Gleichung (2) an.
(2) «math xmlns=¨http://www.w3.org/1998/Math/MathML¨»«mi»m«/mi»«mo»§nbsp;«/mo»«mo»=«/mo»«mo»§nbsp;«/mo»«msup»«mi»n«/mi»«mn»2«/mn»«/msup»«mo»§nbsp;«/mo»«mo»-«/mo»«mo»§nbsp;«/mo»«mi»n«/mi»«/math»
Gleichung (3) zeigt das Ergebnis der Auflösung von Gleichung (2) nach n.
(3) «math xmlns=¨http://www.w3.org/1998/Math/MathML¨»«mi»n«/mi»«mo»§nbsp;«/mo»«mo»=«/mo»«mo»§nbsp;«/mo»«mfrac»«mn»1«/mn»«mn»2«/mn»«/mfrac»«mo»§nbsp;«/mo»«mo»§#183;«/mo»«mo»§nbsp;«/mo»«mfenced»«msqrt»«mrow»«mn»4«/mn»«mo»§nbsp;«/mo»«mo»§#183;«/mo»«mo»§nbsp;«/mo»«mi»m«/mi»«mo»§nbsp;«/mo»«mo»+«/mo»«mo»§nbsp;«/mo»«mn»1«/mn»«mo»§nbsp;«/mo»«mo»+«/mo»«mo»§nbsp;«/mo»«mn»1«/mn»«/mrow»«/msqrt»«/mfenced»«/math»
Mit 16 Kanälen lassen sich so 240 LEDs adressieren. Im Beispiel des 256-LED-Displays ist dazu ein zusätzlicher Kanal nötig (17 Kanäle können dabei sogar bis zu 272 LEDs ansteuern). Die Pin-Anzahl des Treibers wurde also um beinahe 50% reduziert. Dazu ist wieder der Einsatz eines Zeitmultiplexverfahrens notwendig. Um beispielsweise die LED [02,A] zu aktivieren, muss die Reihe 1 mit VLED verbunden und Reihe 02 an Masse gelegt werden, während alle anderen Reihen im Tri-State verbleiben. Diese Verringerung der Pinzahl lässt sich jedoch nicht ohne gewisse Schwierigkeiten erreichen. Das erste Hindernis resultiert aus der Topologie einer Charlieplexing-Matrix.

Bild 3 zeigt, dass parasitäre Parallelpfade ein inhärentes Phänomen dieser Topologie sind. Tatsächlich existieren parallel zu jeder einzelnen LED mehrere serielle LED-Paare. Dies bedeutet, dass die LED in der Matrix ähnliche Vorwärtsspannungen aufweisen müssen: nähert sich die Differenz der Vorwärtsspannungen zwischen der LED [02,A] und den zu ihr parallelen LEDs dem Faktor 2, können die LEDs in den parallelen Pfaden unerwünscht aufleuchten.

In der Praxis lässt sich durch einen gut gesteuerten Produktionsprozess sicherstellen, dass die LED-Abstimmung der Displays eine Differenz der Vorwärtsspannungen erreicht, die weit unter dem Faktor 2 liegt. Das zweite Problem beim »Charlieplexing«-Verfahren ist hingegen nicht so leicht zu vermeiden; es tritt auf, wenn eine LED entweder durch Kurzschluss oder eine Unterbrechung ausfällt.

Der Effekt eines Kurzschlusses wird in Bild 4 dargestellt. Nehmen wir an, an der LED [01,B] kommt es zu einem Kurzschluss, und die LED [03,B] soll eingeschaltet sein. Kanal 02 ist als Stromquelle konfiguriert, die den Biasstrom von der Stromversorgung an Reihe 02 liefert. Kanal 03 ist als Schalter konfiguriert, der Reihe 03 mit Masse verbindet.

Durch den Kurzschluss bei [01,B] werden die Spalte A und die Reihe 01 unerwünschter Weise auf High gesetzt (in Rot gezeigt). Damit wird jede LED in Spalte A an der Anode versorgt. Wird nun die Reihe 03 auf Low gesetzt, um [03,B] einzuschalten, so bekommt jede LED in Reihe 03 an der Kathode ebenfalls eine Versorgungsspannung (in Blau gezeigt).

Damit ist die LED [03,A] aufgrund des Kurzschlusses parallel zur gewünschten LED [03,B] an Anode und Kathode versorgt und leuchtet ebenfalls auf. Dieses sogenannte »Ghosting« als unerwünschter visueller Effekt tritt generell dann auf, wenn eine kurzgeschlossene LED angesteuert wird, die an einen der folgenden Kanäle angeschlossen ist:

  • Den Kanal (und die entsprechende Reihe), bei dem der Kurzschluss auftritt (im Beispiel ist das Kanal 01).
  • Den Kanal (und die entsprechende Reihe), der durch den Kurzschluss direkt mit dem ersten Kanal verbunden ist (im Beispiel ist das Kanal 02).

Das Problem ist noch relevanter im Falle einer offenen LED.

In Bild 5 ist die Anwendung daraufhin beschaltet, die defekte LED [01,B] zu aktivieren. Kanal 01 ist als Schalter konfiguriert, der Reihe 01 mit Masse verbindet. Kanal 03 befindet sich im gleichen Status wie zuvor. Damit werden Reihe 02 und Spalte B auf High gesetzt (in Rot gezeigt) und Reihe 01 und Spalte A auf Low (Blau). Da die angesteuerte LED nicht arbeitet, steigt die Spannung in Reihe 02 und Spalte B (Rot).

Sobald eine Vorwärtsspannung erreicht wird, sind Reihe 03 und Spalte C über die LED [03,B] versorgt (in Gelb dargestellt). Das gleiche geschieht mit allen [x,B]-LEDs. Die Spannung in Spalte B steigt weiter, bis die doppelte Vorwärtsspannung der LEDs erreicht ist. Nun sind alle LEDs in [x,B] und [01,x] vollständig versorgt und leuchten auf.

Die möglichen Ghosting-Effekte und Probleme mit offenen LEDs haben die Verbreitung der Charlieplexing-Topologie in der Vergangenheit stark gebremst. Eine »Crossplexing« genannte Verbesserung des Verfahrens verspricht nun, die Nachteile des bisherigen Verfahrens zu eliminieren und die von den Entwicklern von LED-Displays gewünschte Verringerung der Pin-Anzahl zu ermöglichen.

Als erste Voraussetzung zur Implementierung von Crossplexing muss das System wissen, ob eine Unterbrechung oder ein Kurzschluss vorliegt. Zur Illustration nehmen wir an, dass die Treiberschaltung aus einer Stromquelle auf der Anodenseite und einem niedrigohmigen Schalter auf der Kathodenseite besteht. Für jede Reihe existiert eine solche Kombination aus Stromquelle und Schalter.

Bei einem Kurzschluss an einer einzelnen angesteuerten LED ändert sich bezüglich der Stromquelle wenig - die Quelle wird weiterhin den Versorgungsstrom bereitstellen. Im Hinblick auf die Spannung kommt es jedoch zu einer Veränderung: die Spannung am Ausgang der Stromquelle wird die Vorwärtsspannung der LED nicht mehr erreichen (da ja der Kurzschluss besteht), sondern nahe bei Masse bleiben - und ist so ein klarer Indikator für einen Kurzschluss. Damit lässt sich eine definierte Spannungsschwelle mit der tatsächlichen Anodenspannung vergleichen, um so einen Kurzschluss festzustellen.

Im Falle einer offenen LED wird die Spannung an der Anode auf die zweifache Vorwärtsspannung ansteigen - und wiederum einen klaren Indikator für einen Defekt darstellen. In diesem Fall hängt das erreichte absolute Spannungsniveau von der Vorwärtsspannung der verwendeten LEDs ab, wobei dieser Parameter eine beträchtliche Streubreite über alle am Markt befindlichen LEDs hinweg aufweist. Daher lässt sich keine allgemein gültige Spannungsschwelle für alle LED-Typen definieren.

An der Schwelle

Theoretisch wäre es möglich, sämtliche in LED-Datenblättern zu findenden Variationen zu analysieren, um einen Worst-Case-Wert für die Schwelle bei Defekt zu berechnen, doch könnte dieser Wert für viele LEDs nicht gültig sein. Tatsächlich lässt sich dieser Wert auf einfachere Art und Weise bestimmen. Die optimale Spannungsschwelle jeder beliebigen Leiterplatte entspricht genau der höchsten Vorwärtsspannung aller auf dieser speziellen Leiterplatte verwendeten LEDs.

Zur Feststellung dieses optimalen Schwellenwerts müsste jedoch jede einzelne Leiterplatte während der Montage ausgemessen und konfiguriert werden, was wiederum einen kaum praktika-blen und kostspieligen Produktionsschritt darstellen würde. Im »AS1130«, einem neuen 144-LED-Matrixtreiber von ams mit Crossplexing, steht nun eine technische Herangehensweise zur Verfügung, die diesem Ansatz nahekommt.

Die Kurzschluss- und Defekterkennung des ICs beruht ebenfalls auf der Vorwärtsspannung der in der Matrix verwendeten LEDs. Das Bauelement bestimmt eine optimale Spannungsschwelle für Defektsituationen und konfiguriert sie automatisch. Die Kenntnis der Position eines Kurzschlusses oder Defekts eliminiert natürlich noch nicht die Ghosting-Effekte. Wird jedoch eine Unterbrechung festgestellt, kann das System die Koordinaten des Defekts abspeichern.

Jedes Mal, wenn der Treiber angewiesen wird, diese LED anzusteuern, wird diese Instruktion ignoriert. Diese Maßnahme vermeidet das unbeabsichtigte Aufleuchten von LEDs im Rest des Punktmatrixdisplays. Bei großen Matrizen ergibt sich kein wahrnehmbarer Unterschied für den Betrachter, wenn eine einzelne LED permanent ausgeschaltet bleibt.

Im Fall von Kurzschlüssen ist die Vermeidung von Ghosting-Effekten weniger einfach. Wie oben gezeigt, verursacht eine kurzgeschlossene LED solche Effekte bei mehreren anderen LEDs. Daher ist es nicht ausreichend, die fehlerhafte LED zu maskieren, um Ghosting zu vermeiden, sondern beide mit dem Kurzschluss in Verbindung stehenden Kanäle müssen deaktiviert werden. Dies kann jedoch einen massiven Verlust von LEDs in der Matrix nach sich ziehen.

In einer Vier-Kanal-Matrix würden nach Deaktivierung von Kanal 01 und 02 nur noch zwei LEDs verbleiben, was einem Verlust von 83% der Matrix entspricht. In einer 16x16-Matrix bleiben nach Deaktivierung von zwei Kanälen nur 182 von 240 LEDs aktiv, was einen Verlust von 24% der Matrix bedeutet. Jeder Entwickler muss seine eigene Einschätzung bezüglich der besten Herangehensweise treffen - je größer die Matrix, desto kleiner der Effekt der Deaktivierung von zwei betroffenen Kanälen. Ob dieser Effekt akzeptiert werden kann, hängt sehr von der Anwendung selbst ab. Für kleinere Matrizen wird die Deaktivierung der beiden Kanäle wohl kein gangbarer Weg sein, für große sehr wohl.

Über den Autor:

Peter Rust ist Design Engineer Consumer and Communication bei AMS.