如何利用LT3965準(zhǔn)確的提供0至256種RGBW色彩和亮度控制

RGB (紅、綠和藍(lán)光) LED 組用于需要高效率、明亮輸出的投影、建筑、顯示、舞臺(tái)和汽車照明系統(tǒng)。為了讓 RGB LED 產(chǎn)生可預(yù)測(cè)的色彩，每個(gè)組件 LED (紅、綠和藍(lán)光) 都需要單獨(dú)、準(zhǔn)確的調(diào)光控制。高端系統(tǒng)可使用光反饋環(huán)路，以使微控制器能夠調(diào)節(jié) LED 組的色彩準(zhǔn)確度。給 RGB LED 增加一個(gè)白光 LED 以產(chǎn)生一個(gè) RGBW LED 組，可擴(kuò)展彩色系統(tǒng)中可用的色彩、飽和度和亮度值。每個(gè) RGBW LED 都需要對(duì) 4 個(gè)組件 LED 準(zhǔn)確調(diào)光。兩個(gè) RGBW LED 組需要 8 個(gè) “通道”。

對(duì) RGBW LED 組進(jìn)行驅(qū)動(dòng)和調(diào)光的一種方式是使用 4 個(gè)單獨(dú)的 LED 驅(qū)動(dòng)器，每種色彩 (紅、綠、藍(lán)和白) 各一個(gè)。在這樣的系統(tǒng)中，每個(gè)單獨(dú)的 LED 或 LED 串的電流或 PWM 調(diào)光是由單獨(dú)的驅(qū)動(dòng)器和控制信號(hào)驅(qū)動(dòng)的。然而，在這種解決方案中，隨著 RGBW LED 組數(shù)量的增加，LED 驅(qū)動(dòng)器的數(shù)量迅速增加。任何有大量 RGBW LED 組的照明系統(tǒng)都需要大量驅(qū)動(dòng)器，并需要同步用于這些驅(qū)動(dòng)器的大量控制信號(hào)。

一種簡(jiǎn)單得多 (也更簡(jiǎn)潔) 的方法是，用單個(gè)驅(qū)動(dòng)器 / 轉(zhuǎn)換器以固定電流驅(qū)動(dòng)所有 LED 組，同時(shí)用一個(gè)并聯(lián)功率 MOSFET 矩陣對(duì)各個(gè) LED 進(jìn)行 PWM 調(diào)光，以實(shí)現(xiàn)亮度控制。此外，用單條通信總線控制 LED 的調(diào)光矩陣使得 RGBW 混色 LED 系統(tǒng)相對(duì)容易產(chǎn)生。

LT3965 矩陣式 LED 調(diào)光器實(shí)現(xiàn)了這樣的設(shè)計(jì)，如圖 1 所示。每個(gè) LT3965 8 開關(guān)矩陣式調(diào)光器都正好可與兩個(gè) RGBW LED 組配對(duì)使用，從而允許以 1/256 PWM 步進(jìn)、在零至 100% 亮度之間單獨(dú)控制每個(gè) LED (紅、綠、藍(lán)和白) 的亮度。兩線 I²C串行命令提供色彩和亮度控制。提供給 LT3965 的 I²C串行數(shù)據(jù)決定所有 8 個(gè) LED 的亮度狀態(tài)，并可在故障狀態(tài)下檢查開路和短路的 LED。

圖 1：LT3965 矩陣式 LED 調(diào)光器與 LT3952 升壓-降壓型 LED 驅(qū)動(dòng)器一起，單獨(dú)控制兩個(gè) 500mA RGBW LED 組的色彩，以串行控制方式控制色彩和圖案

采用 LT3952 升壓-降壓型 LED 驅(qū)動(dòng)器的矩陣式 LED 混色器

矩陣式調(diào)光器需要合適的 LED 驅(qū)動(dòng)器從各種輸入給 8 個(gè) LED 組成的 LED 串供電，這些輸入包括：標(biāo)準(zhǔn)12V ±10%、9V至16V (汽車) 或 6V至8.4V (鋰離子)。一個(gè)這類解決方案是 LT3952 升壓-降壓型 LED 驅(qū)動(dòng)器，該驅(qū)動(dòng)器提高和降低輸入至 LED 的電壓，同時(shí)提供低紋波輸入和輸出電流。在其浮置輸出拓?fù)渲校煤苄〉妮敵?a target="_blank">電容器或不用輸出電容器，該驅(qū)動(dòng)器就能夠在以 PWM 調(diào)光方式單獨(dú)接通和斷開 LED 時(shí)，快速響應(yīng) LED 電壓的變化。

圖 2：RGBW 500mA LED 電流由 LT3965 矩陣式調(diào)光器進(jìn)行 PWM 調(diào)光和調(diào)相，以產(chǎn)生各種色彩和圖案。LT3952 升壓-降壓型轉(zhuǎn)換器 / LED 驅(qū)動(dòng)器在對(duì)單獨(dú)的 LED 進(jìn)行 PWM 調(diào)光時(shí)，非常容易跟上LED 電壓的快速變化。

圖 1 所示 LT3952 500mA 升壓-降壓型 LED 驅(qū)動(dòng)器與 LT3965 8 開關(guān)矩陣式 LED 調(diào)光器和兩個(gè) RGBW 500mA LED 組配合使用。這種新型拓?fù)淠軌蛟?0 至 8 個(gè)串聯(lián) LED的整個(gè)范圍內(nèi)平滑運(yùn)行，這時(shí)電壓范圍為 0V 至 25V。瞬時(shí)串聯(lián) LED 電壓在變化，大小取決于在任意給定瞬間，矩陣式調(diào)光器啟動(dòng)了哪些 LED 以及多少 LED。這個(gè)轉(zhuǎn)換器 / 拓?fù)涞?60V OUT 電壓 (V_IN 和 V_LED之和) 以及轉(zhuǎn)換器的占空比是在 6V 至 20V 的整個(gè)輸入范圍內(nèi)以及 500mA 時(shí) 0V 至 25V 的輸出電壓 (LED 串聯(lián)電壓) 范圍內(nèi)規(guī)定的。

這種升壓-降壓型浮置輸出拓?fù)涫褂?LT3965 矩陣式調(diào)光器能夠很好地運(yùn)行。這款矩陣式調(diào)光器通過用并聯(lián)功率 MOSFET 對(duì) LED 電流分流來控制 LED 亮度。這些 LED 不需要連接至地。只要 LT3965 的V_IN引腳連至 SKYHOOK (其電壓至少比 LED+ 高 7.1V)，所有并聯(lián) MOSFET 就都正常運(yùn)行。SKYHOOK 可以用一個(gè)由開關(guān)轉(zhuǎn)換器構(gòu)成的充電泵提供，或者可以用一個(gè)穩(wěn)定電源供電。采用 3mm x 2mm DFN 封裝的纖巧 LT8330 升壓型轉(zhuǎn)換器是個(gè)很好的選擇以產(chǎn)生 SKYHOOK。

一種可選的外部時(shí)鐘器件可用來將系統(tǒng)同步至 350kHz，這適合汽車環(huán)境，效率相對(duì)較高，允許使用緊湊型組件。盡管這種系統(tǒng)也可以在 2MHz (高于 AM 波段) 運(yùn)行，但是當(dāng)所有 LED 都通過矩陣式調(diào)光器短路且 LED 串電壓降至 330mΩ ? 500mA ? 8 = 1.3V 時(shí)，350kHz (低于 AM 波段) 使這款升壓-降壓型轉(zhuǎn)換器無需采用脈沖跳躍模式就能夠穩(wěn)定。這個(gè)頻率也支持高調(diào)光比，而且沒有可見 LED 閃爍。

既然每個(gè) RGBW LED 都設(shè)計(jì)為單點(diǎn)光源，那么紅、綠、藍(lán)和白光相結(jié)合可產(chǎn)生各種色彩，而且飽和度、色彩和亮度可控。每個(gè) LED 都可在 0 (0/256) 至 100% (256/256) 之間以 1/256 步進(jìn)設(shè)定。

準(zhǔn)確的 0 至 256 種 RGBW 色彩和亮度控制

通過對(duì)單獨(dú)的紅、綠、藍(lán)和白光組件 LED 進(jìn)行 PWM 調(diào)光，RGBW LED 可產(chǎn)生準(zhǔn)確的色彩和亮度。單獨(dú)的 PWM 亮度控制可支持 256:1 或更高的調(diào)光比。一種可替代 PWM 調(diào)光的方法是簡(jiǎn)單地降低每個(gè) LED 的驅(qū)動(dòng)電流，但是這種方法的準(zhǔn)確度受限，因此僅允許 10:1 的調(diào)光比，并導(dǎo)致 LED 本身的色移。在色彩和亮度的準(zhǔn)確度方面，采用 PWM 調(diào)光的矩陣式調(diào)光方法表現(xiàn)好于驅(qū)動(dòng)電流方法。

LED 驅(qū)動(dòng)器的帶寬和瞬態(tài)響應(yīng)影響色彩準(zhǔn)確度。在超過 10kHz 交叉頻率以及使用很小的輸出電容器或沒有輸出電容器的情況下，當(dāng)矩陣式調(diào)光器接通和斷開其開關(guān)時(shí)，緊湊的升壓-降壓型轉(zhuǎn)換器快速響應(yīng)所驅(qū)動(dòng)的 LED 數(shù)量的變化。

為了說明這一點(diǎn)對(duì)準(zhǔn)確度而言有多重要，讓紅、綠和藍(lán)光 LED 以不同的 PWM 占空比單獨(dú)運(yùn)行，并用一個(gè) RGB 光傳感器測(cè)量其光輸出。圖 3 中的結(jié)果顯示，每種色彩從 4/256 至 256/256 有一致的斜率，低于這個(gè)范圍時(shí)，斜率有輕微變化。當(dāng)然，紅、綠和藍(lán)光 LED 在色彩性能方面也不是完美的，因此，甚至僅驅(qū)動(dòng)一種色彩的 LED 時(shí)，有些色彩還是會(huì)從其他波段泄漏出來。總體而言，這是一個(gè)高度準(zhǔn)確的系統(tǒng)。

圖 3：當(dāng)與圖 1 所示 LT3952 升壓-降壓型 LED 驅(qū)動(dòng)器一起使用時(shí)，紅、綠、藍(lán)和白光亮度控制與 0 至 256 (總共 256) 種由矩陣式 LED 調(diào)光器控制的PWM 調(diào)光占空比。

使用帶寬非常大 (>40kHz) 之 LT3952 LED 驅(qū)動(dòng)器的降壓型轉(zhuǎn)換器版本，準(zhǔn)確度直至 1/256 都可以改善，但是這或者涉及增加另一個(gè)升壓型轉(zhuǎn)換器以產(chǎn)生穩(wěn)定和高于 30V 輸出電壓所帶來的費(fèi)用增加，或者涉及需要一個(gè)高于 30V 的輸入電壓源。除非在很低的光輸出時(shí)必須有很高的準(zhǔn)確度，幾乎沒有理由增加一個(gè)額外的轉(zhuǎn)換器，而放棄升壓-降壓型驅(qū)動(dòng)器的通用性、簡(jiǎn)單性和緊湊的尺寸。

LT3965 的 256 級(jí)調(diào)光方法非常容易轉(zhuǎn)換成典型的 RGB 著色程序和常見的混色算法。例如，如果你打開一個(gè)標(biāo)準(zhǔn) PC 著色程序，那么你會(huì)看到，色彩是用一個(gè) 256 個(gè)值的 RGB 系統(tǒng)混合的。圖 2 中的 LED 電流波形從一個(gè)由基本 PC 著色程序控制的 RGBW 矩陣式 LED 系統(tǒng)產(chǎn)生紫色光。因?yàn)楸疚慕榻B的設(shè)計(jì)產(chǎn)生準(zhǔn)確的電流驅(qū)動(dòng)和 PWM 控制，所以通過調(diào)節(jié)組件 LED 的占空比，就能夠以可預(yù)測(cè)的方式校準(zhǔn) RGBW LED 的色彩，從而非常容易地考慮到 LED 亮度的固有變化。