高占空比时的Charlie多路复用 - 单片机/处理器 - 电子工程师

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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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2009-11-4 10:49:43 上传
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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.