基于I2C接口的LED驅動器設計與實現

LED無疑是當前最熱的一個應用，無論是手持設備、游戲機、霓虹燈、廣告牌等等，眩目的色彩及高質的光亮，總能第一時間吸引人的眼球。在當前眾多的LED控制器面前，如何選擇一款功能豐富且性價比又高的產品來迎合自己的設計，無疑是擺在每個設計師面前的問題。

最簡單的LED驅動，我們可以用普通的I/O來實現。但I/O控制只能實現LED的ON與OFF，無法用來進行混光、閃爍等功能，而且每個LED都需要占用一個單獨的I/O資源，無疑性價比很低。我們也可以用專用的大電流LED控制器來設計，但昂貴的成本首先會成為問題，而且設計復雜，程度也會跟著各種干擾的出現相應地提高?；谶@些，恩智浦(NXP)推出一系列使用I2C接口的LED驅動器，它可以通過I2C接口的兩根線，去同時控制從4個到24個不等LED的ON/OFF、閃爍及RGB混光。在混光方案里，每個LED都是由一個獨立的8bit/256階PWM來驅動。目前，通過芯片本身能驅動的每個LED電流范圍為25mA到100mA之間。當然，對于一些大電流的應用場合，我們只需用外加場效應管的方式來實現。

這種基于I2C的LED控制方式，增加了設計的方便性與靈活性，而且也會減少在軟硬件方面的投入，使披著神秘面紗的LED對我們來講頓時顯得簡單和精彩。下面，我們將會以恩智浦LED驅動器PCA9633為例，通過幾個簡單的應用來全面闡述這種LED驅動器的優(yōu)勢所在。

PCA9633是四路LED驅動器，且每路可驅動最大25mA電流，并根據封裝的不同提供了可選的固定I2C地址和帶4位或7位硬件可編硬件地址(圖1)。

從圖1我們可以看到，每一路LED都是由一個單獨的8bit/256階的PWM來控制，且由于PWM足夠快，使其理論上可以通過它所驅動的四個LED混出任意顏色的光。除了每一路單獨的PWM，PCA9633還提供了一個Group PWM，通過它我們可以用來控制所調混色光的亮度及頻率，彌補了只調單個PWM不能實現的一些功能。那么PCA9633究竟如何來實現調光呢?秘密還是在PWM上面。如果不使用PWM，那么它只能完成開和關的動作;低速的PWM只能實現LED閃爍，并不足以達到混色的目的;高速的PWM就可以實現RGB混色;如果PWM速度可控，那么就可以實現閃爍和混色的雙重功能。而且通過可控的8bit/256階PWM，加大了色階提升了色彩的層次感(見圖2)。

知道了混色的原理，那么一個具體的色彩又是如何產生的呢?我們知道人眼對色彩的感知是各種色彩亮度均值的疊加，我們可以通過控制PCA9633每個PWM的占空比，去控制所驅動LED的亮度。根據三基色原理，如果我們驅動的是RGB(或者RGBA)LED，那么通過調節(jié)這三個LED的不同光亮，就可以得到所要的色彩。圖3是PCA9633控制RGB 三個LED來調粉色光的例子。

通過以上的描述，我們基本知道了PCA9633的內部結構和驅動原理。下面我們將會以PCA9633固定I2C地址的幾個應用，來進一步理解這種LED控制器的優(yōu)勢所在。[!--empirenews.page--]

第一個應用，我們將用PCA9633來控制亮度條。我們知道一般像亮度條這樣的應用，往往需要用到大量LED串聯來進行。如果用單個接口去控制每個LED，會使成本和軟件復雜度大大增加。而通過I2C，在硬件上只需要兩條控制線，在軟件上只需發(fā)一條字節(jié)命令，就可以輕松進行操控。除此之外，由于I2C器件地址的唯一性，可以按所驅動LED的數量使用幾個PCA9633來進行控制。如果實際應用中PCA9633本身的驅動電流不夠，只需在外圍加一個FET就可以輕松解決。另外，PCA9633獨有的Group PWM使得控制整個亮度條的光強和閃爍變的得心應手。下面是其原理圖(見圖4)，其中I2C master由系統提供，可以是MCU，也可以是邏輯電路。

圖4中左半部為I2C的master，不作細述。右邊最上為LED限流電阻，通常LED的前向電壓為3V左右，根據不同的顏色和制造工藝會有一些差別。我們可以通過所需LED電流去計算這個限流電阻的值：　 R=(Vsupply-Vfsum)/If。如果所需的LED電流大于25mA，那么圖中所加的FET可以輕松解決這一問題。當我們外加了FET以后，只需把PCA9633的相應寄存器的OUTDRV設為高就可以了，以區(qū)別于它的默認值。現在我們可以看到用PCA9633去控制如此多的LED，原理圖相當簡潔，同樣在軟件設置寄存器上也同樣方便。PCA9633提供了簡易且完整的內部寄存器，例如LED輸出結構設置、節(jié)電模式設置、芯片使能模式設置、LED的輸出狀態(tài)設置，以及每個PWM和Group PWM的控制寄存器設置等。除此之外，PCA9633還提供了一個寄存器設置遞增位，也就是說如果我們設置了這一位，那么我們可以通過一個指令序列來完成內部所有寄存器的順序配置，這在一些特定的應用中是非常有用的，能最大程度節(jié)省軟件和系統資源。下面，我們將通過另外一個例子來說明內部寄存器的設置。

第二個例子是我們用PCA9633來完成呼吸燈的功能。雖然PCA9633內部不帶呼吸燈模塊，但我們可以通過一些簡單的寄存器設置來實現這個功能，這樣相比于專用的呼吸燈芯片在成本上無疑有很大的優(yōu)勢。為了便于說明，我們只用PCA9633來控制一個LED的呼吸動作，原理圖很簡單，在此略去，通過控制這一個LED的漸亮與漸暗過程以達到呼吸的目的。要實現這個功能，PCA9633的獨立PWM將是最主要的因素。如前我們已經提到每個LED都是由一個8bit/256階PWM來控制，那么也就是說，每個燈有256段亮暗色階可調，可以完美實現呼吸功能。具體，我們通過控制PWM的占空比來完成。如果我們的LED是由PCA9633的PWM0來控制，那么PWM0的占空比將決定這個LED的亮度：Bright(duty cycle)=PWM0[7:0]/256。撐握了這一原則，我們就可以通過I2C往PCA9633的寄存器上寫點什么了：

START

0xC4 (往PCA9633 I2C設備地址C4寫操作)

00h=0x00; 01h=0x00　(設置LED的輸出結構為開漏)

08h=0x02 (設置LED由PWM0來控制)

Delay 1 second (延時1秒進行呼吸)

02h=bright; For bright=0; bright《255;bright++ (LED從0到255漸亮)

Delay 10 ms (完成漸亮延時10毫秒繼續(xù))

02h=bright; For bright=255; bright》0;bright- - (LED從255到0漸暗)

STOP

到此，一個完整的呼吸過程就完成了，用幾個簡單的寄存器設置，就完成了看起來似乎只有用復雜系統或專用芯片才能做的事情。從以上兩個例子，我們可以看到用恩智浦的I2C LED驅動器，不論是硬件上還是軟件上都是非常簡單和易操作的，而且用此類器件所能實現的功能，絲毫不比一些系統和專有芯片遜色。

綜上所述，恩智浦I2C LED驅動器提供了高性價比的LED設計方案，相比于用GPIO或專用LED驅動器，不僅節(jié)省了系統資源，也使設計的成本和復雜度大大減少，并可以有效提高設計的可靠性和驅動光的均勻性。此外，采用此類LED驅動器，可以很有效地幫助我們減少設計周期并提升設計靈活性。恩智浦目前可以向客戶提供從4路到24路不等的I2C LED驅動器，并已應用于汽車、家電、通信等各大領域。