LED驅(qū)動電路的PWM亮度控制技術(shù)

現(xiàn)在大街上隨處可見的LED顯示屏，還有裝飾用的LED彩燈以及LED車燈，處處可見LED燈的身影，LED已經(jīng)融入到生活中的每一個(gè)角落。典型應(yīng)用中，通過串口向LED驅(qū)動器發(fā)送指令改變相應(yīng)LED的寄存器值進(jìn)行亮度調(diào)節(jié)。用于亮度控制的數(shù)據(jù)通常為4位至8位，對應(yīng)于16至256個(gè)亮度等級;有些Maxim的LED驅(qū)動器的亮度控制則通過調(diào)整漏極開路LED端口的恒定吸入電流大小來實(shí)現(xiàn)。

該應(yīng)用筆記討論如何在LED恒流驅(qū)動器上加入PWM亮度調(diào)節(jié)，通過控制LED電源的通、斷調(diào)節(jié)亮度。也可以通過刷新數(shù)據(jù)位仿真外部PWM亮度控制。內(nèi)置PWM的LED驅(qū)動器也可以通過外部PWM實(shí)現(xiàn)亮度調(diào)節(jié)，只要PWM信號的外部時(shí)鐘可以同步。

PWM仿真

按照一定周期向LED驅(qū)動器發(fā)送開/關(guān)控制信號，可以仿真PWM亮度調(diào)節(jié)的效果。因?yàn)長ED數(shù)據(jù)接口的傳輸速率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于PWM信號的頻率，可以使用微控制器或FPGA (現(xiàn)場可編程門陣列)很容易地仿真PWM調(diào)光方式。PWM開關(guān)頻率、數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r(shí)鐘頻率和PWM亮度等級之間的關(guān)系如式1所示：其中，fCLOCK為數(shù)據(jù)接口的時(shí)鐘頻率，fPWM為PWM頻率，nPORT為控制端口數(shù)，nLEVEL為亮度等級。

在該項(xiàng)技術(shù)中，PWM仿真數(shù)據(jù)由控制器連續(xù)發(fā)送到LED的每個(gè)端口，每個(gè)端口1位。所有端口更新一次即為PWM的一個(gè)臺階。從索引值1開始重復(fù)仿真PWM臺階，直至索引值等于設(shè)定的亮度等級，形成一個(gè)PWM周期。例如，如果亮度等級為256，每個(gè)端口刷新數(shù)據(jù)256次構(gòu)成一個(gè)PWM周期。如果對應(yīng)端口的亮度等級高于PWM仿真臺階的索引值，數(shù)據(jù)為1;否則數(shù)據(jù)為零。只要LED保持點(diǎn)亮狀態(tài)，則始終重復(fù)PWM仿真周期。

該P(yáng)WM仿真控制可以由下列C程序?qū)崿F(xiàn)：

PWM仿真技術(shù)適用于MAX6968和MAX6969。MAX6968為8端口LED恒流驅(qū)動器，數(shù)據(jù)接口傳輸速率可達(dá)25Mbps;MAX6969是MAX6968的16端口版本。利用這一方法可以實(shí)現(xiàn)16位或65，536級亮度控制，MAX6968的PWM頻率可以設(shè)置在47Hz，MAX6969的PWM頻率可以設(shè)置在24Hz。如果只要求12位的亮度控制分辨率，對應(yīng)的PWM頻率可以分別設(shè)置在752Hz和376Hz。PWM仿真技術(shù)無需對電路進(jìn)行任何修改即可實(shí)現(xiàn)每個(gè)驅(qū)動口的亮度控制。

LED電源的開關(guān)控制

通過對LED電源進(jìn)行開、關(guān)控制也可以實(shí)現(xiàn)LED的PWM亮度調(diào)節(jié)。圖1所示電路利用PWM控制電源為LED提供額外的亮度調(diào)節(jié)。微處理器向LED驅(qū)動器發(fā)送I²C命令產(chǎn)生PWM信號，PWM波形可以由軟件控制。這種方式適用于具有恒流LED端口，但沒有內(nèi)部亮度調(diào)節(jié)功能的MAX6969，以及帶有可調(diào)節(jié)恒流LED端口的MAX6956。該方案通過一個(gè)晶體管控制PWM信號的占空比，達(dá)到亮度調(diào)節(jié)的目的。LED亮度可由微處理器通過LED驅(qū)動器間接地控制，也可以由晶體管直接控制。以MAX6956為例，恒流驅(qū)動與PWM占空比調(diào)節(jié)相結(jié)合，無需任何其它電路介入。

利用下式計(jì)算外部晶體管的功耗：

其中，tRISE為晶體管的上升時(shí)間，tFALL為晶體管的下降時(shí)間，T為PWM周期，tON/T為PWM亮度等級，I為LED總電流，RON為晶體管的導(dǎo)通電阻。式2給出了晶體管開關(guān)損耗與導(dǎo)通損耗之和，開關(guān)損耗由開/關(guān)時(shí)間決定。當(dāng)晶體管閉合或斷開時(shí)，在晶體管兩端電壓從零上升到VLED的過程中，或者是在反方向變化時(shí)，幾乎所有電流流過晶體管。

使用高速開關(guān)晶體管時(shí)，上升時(shí)間和下降時(shí)間通常為50ns。對于周期(T)為1/1000秒的PWM、LED電壓(VLED)為5.5V、LED總驅(qū)動電流為200mA時(shí)，晶體管總功耗為：若晶體管導(dǎo)通電阻為0.1Ω，則晶體管在最高亮度時(shí)的導(dǎo)通功耗為：從式4可以看到，合理選擇高速開關(guān)晶體管，能夠?qū)p耗降至最小。

主控與各端口的分層控制

有些LED驅(qū)動器的PWM亮度控制可以通過主控與各端口之間的分層控制實(shí)現(xiàn)。例如，MAX6964、MAX7313、MAX7314、MAX6965、MAX7315和MAX7316。如圖3所示，各端口的PWM亮度控制波形重復(fù)多次。每重復(fù)一次相當(dāng)于一次主機(jī)控制。由此，如果主機(jī)控制15級亮度調(diào)節(jié)，則控制波形重復(fù)15次。LED驅(qū)動器各端口的控制信號決定了波形的占空比。主控信號決定控制波形的重復(fù)次數(shù)。比如：某個(gè)端口的占空比為3/16，主控設(shè)置為4/15。波形的導(dǎo)通時(shí)間占整個(gè)周期的3/16，波形在全部15個(gè)時(shí)隙的前4個(gè)時(shí)隙重復(fù)。

遺憾的是，一個(gè)MAX6964的主控信號不能與另一MAX6964的端口信號相組合，以構(gòu)成多芯片鏈路機(jī)制。因?yàn)椋鄠€(gè)MAX6964之間無法實(shí)現(xiàn)時(shí)鐘同步;每個(gè)端口的PWM控制導(dǎo)通時(shí)間不能與主控制器亮度調(diào)節(jié)信號的通/斷時(shí)間窗口保持一致。如果時(shí)鐘信號的邊沿?zé)o法對齊則無法同步控制亮度，LED會變暗。由于時(shí)鐘之間的相位偏差，也會導(dǎo)致LED周期性地閃爍(通、斷)。

分層PWM亮度調(diào)節(jié)方案可以通過LED驅(qū)動器避免閃爍問題，適用于MAX7302等具有時(shí)鐘同步機(jī)制和較寬的時(shí)鐘頻率范圍的器件。圖4給出了利用兩片MAX7302和開關(guān)晶體管實(shí)現(xiàn)PWM亮度分層控制的典型電路。

其中一片MAX7302的輸出端口連接在LED的陰極，每路輸出端口作為一個(gè)獨(dú)立的亮度控制端口。另一片MAX7302的輸出通過外部晶體管連接在LED的陽極，這一MAX7302作為亮度主控制器。每個(gè)端口的亮度控制由外部1MHz高頻時(shí)鐘驅(qū)動，這是MAX7302工作時(shí)鐘的上限。例如，將一個(gè)端口的亮度等級設(shè)置為15/33時(shí)，P2亮度控制端口輸出作為主控制器的時(shí)鐘輸入。得到的主控制器等效時(shí)鐘頻率約為1000000/33 = 30kHz。

該應(yīng)用實(shí)例中，每個(gè)亮度控制端口可以用于調(diào)節(jié)RGB LED的顏色，而主控制器用來調(diào)節(jié)亮度。以上就是LED技術(shù)的相關(guān)知識，相信隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，未來的LED燈回越來越高效，使用壽命也會由很大的提升，為我們帶來更大便利。