利用多個(gè)LED控制器實(shí)現(xiàn)自動(dòng)漸進(jìn)調(diào)光

利用兩個(gè)或更多的獨(dú)立LED，當(dāng)今的驅(qū)動(dòng)器能夠控制可用于便攜系統(tǒng)中的新潮裝飾光。不僅ILED峰值電流完全可編程，每個(gè)LED都能在0～100%亮度范圍之間調(diào)光至任何值。此外，工作在向上和向下兩種方向的嵌入式漸進(jìn)調(diào)光功能提供了一種終端客戶所需要的特別照明序列。本文闡述這種驅(qū)動(dòng)器的特性，并基于一個(gè)典型應(yīng)用重點(diǎn)探討漸進(jìn)調(diào)光。此外，還討論了相關(guān)的軟件作為一項(xiàng)典型示例。

基本的模擬操作

通常來(lái)講，LED驅(qū)動(dòng)器在適當(dāng)?shù)臈l件下提供恒定的電流來(lái)對(duì)LED進(jìn)行偏置。如果我們考慮便攜系統(tǒng)，其電源是輸出電壓范圍在2.8～4.2V之間的電池(假設(shè)為是標(biāo)準(zhǔn)的鋰離子電池)。由于根據(jù)偏置電流和室溫的不同，當(dāng)今的低功率LED的正向電壓會(huì)在2.8～3.5V之間變化，需要一個(gè)接口來(lái)確保LED在正常工作期間恰當(dāng)?shù)仄?。這就是驅(qū)動(dòng)IC的目的，而要考慮的第一個(gè)模塊就是電流控制系統(tǒng)的電壓范圍。

圖1 基本的LED接線

圖2 串并聯(lián)鏈接優(yōu)缺點(diǎn)比較

就這點(diǎn)而言，我們可以考慮采用串聯(lián)或并聯(lián)方式對(duì)LED進(jìn)行連接：這兩種連接方式各有其優(yōu)缺點(diǎn)，見(jiàn)圖2。
關(guān)鍵點(diǎn)在于，在色彩應(yīng)用中獨(dú)立及動(dòng)態(tài)地調(diào)節(jié)每個(gè)LED亮度的能力。雖然有可能采用升壓結(jié)構(gòu)、使用開(kāi)關(guān)在每個(gè)LED間進(jìn)行連接以控制它們，但串行排列并非首選的解決方案，而并行結(jié)構(gòu)最易于實(shí)現(xiàn)。

電荷泵是產(chǎn)生低電壓及EMI問(wèn)題最小且最合適的DC-DC轉(zhuǎn)換器。另一方面，采用多種工作模式(1X,1.5X,2X)純粹提升效率，使系統(tǒng)在便攜設(shè)備中運(yùn)行時(shí)能夠節(jié)省盡可能多的能量。

除了DC-DC轉(zhuǎn)換器，第二個(gè)關(guān)鍵參數(shù)是屬于共同陣列的LED間的電流匹配：RGB結(jié)構(gòu)不能適應(yīng)LED間的偏置電流差別，因?yàn)檫@些差別會(huì)轉(zhuǎn)化為視頻和圖像顯示中的色彩表現(xiàn)。通過(guò)使用如圖3中所示的一套精確的電流鏡，這個(gè)問(wèn)題就得到解決。

為了在LED中實(shí)現(xiàn)精確及穩(wěn)定的正向偏置條件，通過(guò)與帶隙參考提供的恒定電壓相關(guān)的外部電阻產(chǎn)生一個(gè)參考電流。與運(yùn)算放大器U1相關(guān)的晶體管Q1在Vref引腳產(chǎn)生恒定輸出電壓。Vref和地之間連接的外部電阻產(chǎn)生流經(jīng)Q1和Q2的恒定電流。這個(gè)電流這時(shí)候就被Q3～Q7的晶體管系列建立鏡像和放大，每個(gè)電流被連接至開(kāi)關(guān)S1～S5，并且被晶體管Q8相加。最后，晶體管Q9復(fù)制參考電流至LED1。這種結(jié)構(gòu)針對(duì)每個(gè)LED進(jìn)行復(fù)制，而芯片的布局經(jīng)仔細(xì)分析，以優(yōu)化每個(gè)LED之間的匹配。

圖3 基本的電流鏡結(jié)構(gòu)

圖4 典型的獨(dú)立PWM控制

這樣，每個(gè)LED都共用相同的I-LED峰值電流，而且需要額外的電子電路來(lái)對(duì)每個(gè)LED的亮度進(jìn)行獨(dú)立控制。這種功能通過(guò)為每個(gè)LED使用獨(dú)立的PWM調(diào)制來(lái)實(shí)現(xiàn)（見(jiàn)圖4）：由數(shù)字信號(hào)PWM1至PWM3控制的開(kāi)關(guān)S6～S8啟動(dòng)/關(guān)閉相關(guān)的電流鏡，因此產(chǎn)生相關(guān)LED的亮度控制。其凈優(yōu)勢(shì)是LED峰值電流恒定，確保了色彩表現(xiàn)不會(huì)被亮度控制所減弱，LED的工作點(diǎn)保持在色彩地圖所定義的參考色彩，見(jiàn)圖5。

圖5中的波形源自工業(yè)應(yīng)用，它展示了嵌入在所選器件中的三個(gè)PWM的特性。三個(gè)LED采用一個(gè)共同低頻時(shí)鐘控制，并帶有一個(gè)占空比設(shè)置來(lái)適應(yīng)給定應(yīng)用。這很明顯能夠獨(dú)立地減弱或增強(qiáng)每個(gè)PWM，范圍在0～100%的占空比之間，而ILED峰值電流為恒定。

圖5 典型的工業(yè)PWM操作

一種更加復(fù)雜的電路設(shè)計(jì)能夠用來(lái)獲得對(duì)LED的完全獨(dú)立控制：I-LED峰值電流和PWM都能夠數(shù)字編程，產(chǎn)生幾乎無(wú)限的色彩范圍和亮度，因?yàn)镮-LED峰值電流在色彩地圖中移動(dòng)?；镜哪Ｐ兔枋鋈鐖D6所示。

圖6 LED和CCFL的色域與NTSC標(biāo)準(zhǔn)的比較

數(shù)字控制

標(biāo)準(zhǔn)的I2C端口用于處理I-LED和PWM，利用軟件來(lái)設(shè)定控制器內(nèi)建的功能。為了更好地闡述漸進(jìn)調(diào)光，我們將利用NCP5623控制器作為參考來(lái)描述這種功能的操作。

在PWM能夠發(fā)生之前，ILED峰值電流將像NCP5623數(shù)據(jù)表中所定義的那樣通過(guò)發(fā)送適當(dāng)?shù)拇a至芯片來(lái)設(shè)定。創(chuàng)建平滑的增強(qiáng)亮度，軟件將發(fā)送驅(qū)動(dòng)器可用的總級(jí)(step)數(shù)：在本案例中，我們擁有31級(jí)。可以在微控制器(MCU)中應(yīng)用一個(gè)簡(jiǎn)單環(huán)路來(lái)處理這個(gè)工作，但由于與實(shí)時(shí)系統(tǒng)相關(guān)的優(yōu)先級(jí)中斷問(wèn)題，亮度上升過(guò)程可能被打亂。NCP5623含有內(nèi)置序列，避免了MCU實(shí)時(shí)操作的發(fā)生：無(wú)論是亮度增強(qiáng)還是減弱，漸進(jìn)調(diào)光都能夠通過(guò)非常有限的軟件步驟來(lái)實(shí)現(xiàn)，并且沒(méi)有高優(yōu)先級(jí)中斷事件的影響。

基本上，兩個(gè)內(nèi)置寄存器將預(yù)先調(diào)整如下。

漸進(jìn)調(diào)光的目標(biāo)和方向：

-亮度增強(qiáng)=%101x xxxx

  →最后位[B4:B0]包含增強(qiáng)的最終ILED目標(biāo)

-亮度減弱=%110x xxxx

  →最后位[B5:B0]包含減弱的最終ILED目標(biāo)

時(shí)序和啟動(dòng)條件：

GRAD=%111x xxxx

  →最后位[B5:B0]包含每級(jí)的時(shí)序

ILED電流將從0平滑增加至5.5mA，總序列時(shí)序等于GRAD寄存器位[B5:B0]的內(nèi)容乘以增強(qiáng)(UPWARD)寄存器定義的級(jí)數(shù)。在這個(gè)例子中：

T=GRAD [B5:B0]*UPWARD[B5:B0]

T=64*26=1664ms

圖7 典型的NCP5623自動(dòng)向上漸進(jìn)調(diào)光過(guò)程(每級(jí)8ms)

圖7中給出的波形展示了向上漸進(jìn)調(diào)光；對(duì)DWNWRD寄存器進(jìn)行適當(dāng)編程來(lái)實(shí)現(xiàn)向下調(diào)光的操作。

正如我們能夠觀察到的，ILED電流以準(zhǔn)指數(shù)曲線形式增加，這種情況足以很好地補(bǔ)償人眼的敏感度。

相反的方向很容易通過(guò)在數(shù)據(jù)寄存器的高三位使用適當(dāng)?shù)拇a，而序列的余下部分相同來(lái)實(shí)現(xiàn)。

內(nèi)置寄存器使對(duì)漸進(jìn)調(diào)光進(jìn)行動(dòng)態(tài)控制成為可能，可以對(duì)不同視覺(jué)效果進(jìn)行仿真。舉例來(lái)說(shuō)，我們可以重復(fù)由向上或向下期間的數(shù)字調(diào)制所創(chuàng)建的序列，也可能結(jié)合其中一組漸進(jìn)調(diào)光和突然變化在波形的相反側(cè)創(chuàng)建類(lèi)似波形的鋸齒。

最后，能夠結(jié)合漸進(jìn)調(diào)光和嵌入在芯片中的PWM，通過(guò)IREF引腳對(duì)ILED峰值電流進(jìn)行調(diào)制創(chuàng)建相當(dāng)復(fù)雜的光照序列：一種裝飾光系統(tǒng)在主控制器周?chē)捎米钌贁?shù)量的無(wú)源元件得以構(gòu)造。