通過帶I2C控制功能的高功率4×1 A RGBW LED簡單、準(zhǔn)確地控制13位色彩

Keith Szolusha ADI公司

紅、綠、藍(RGB)LED可用于建筑和舞臺照明系統(tǒng)，用以形成明亮的投影色彩——有時會在RGB組合中添加白色LED，從色調(diào)、飽和度和亮度方面擴展色彩范圍（圖1）。無論色彩分量有多少，都必須精確控制每個色彩分量的亮度，以便對色彩進行預(yù)測或是補償LED之間的色差?？捎蒙实臄?shù)量取決于每個組成色的可分辨亮度級的數(shù)量。一些系統(tǒng)提供分辨率低至全亮度1/256（8位）。也可能實現(xiàn)更高的分辨率，并產(chǎn)生更多的色彩（圖2），形成更強的控制力。

控制寬LED亮度范圍最精確的方法是使用PWM調(diào)光控制。內(nèi)置PWM調(diào)光時鐘和數(shù)字寄存器（用于設(shè)置調(diào)光比）的LED驅(qū)動器是RGBW系統(tǒng)的最佳選擇。對于大型復(fù)雜系統(tǒng)——由許多不同RGBW LED構(gòu)成的系統(tǒng)——使用串行通信總線可在數(shù)字增強型LED驅(qū)動器中實現(xiàn)這些寄存器的動態(tài)設(shè)置。

圖3所示為RGBW LED的兩種驅(qū)動和調(diào)光方法。第一種是矩陣LED調(diào)光器方案，它曾經(jīng)是高功率RGBW LED陣列的最佳數(shù)控方式。第二種是直接驅(qū)動方案，它采用四個分立的數(shù)字增強型LED驅(qū)動器，每種色彩（R、G、B和W）各一個，更精確、更高效、紋波更低。在這種系統(tǒng)中，每個單獨的LED或LED串的電流或PWM調(diào)光波形均由其自己的LED驅(qū)動器和控制信號驅(qū)動，如圖2所示。在矩陣調(diào)光器方案中，單個LED調(diào)光器可控制多達8個LED的PWM電流。該系統(tǒng)額外需要一條高壓線和一個低輸出電容降壓LED驅(qū)動器，用于驅(qū)動LED串。高壓軌可能需要一個額外的升壓調(diào)節(jié)器，LED電流（來自低輸出電容降壓驅(qū)動器）可能有高紋波。

采用大量RGBW LED的照明系統(tǒng)需要大量的驅(qū)動器，并且控制信號要與這些驅(qū)動器同步。性能最好的方法是用高性能LED驅(qū)動器直接控制每個LED。在這種方法下，既能控制每個LED的PWM調(diào)光及直流電流和電壓，還能將紋波降至最低水平，并大幅提高可預(yù)測能力。使用通過串行總線控制的雙降壓LED驅(qū)動器LT3964，可以輕松實現(xiàn)這類系統(tǒng)。

具有I2C調(diào)光控制能力的雙降壓LED驅(qū)動器

具有I2C控制和報告功能的LT3964雙降壓LED驅(qū)動器是一款理想的解決方案，可以通過串行通信技術(shù)驅(qū)動具有高電流和高帶寬的多個LED或LED串。降壓調(diào)節(jié)器具有固有的高帶寬，LT3964在單個封裝中有集成了兩個36 V、2 MHz同步和高頻降壓LED驅(qū)動器，還集成了2 A開關(guān)，可以相對輕松地驅(qū)動多通道大電流LED。

I2C串行通信功能簡化了每個LT3964支持的兩個獨立高電流LED通道的模擬和PWM調(diào)光功能，在單個I2C總線上有多達八個不同的LT3964地址。例如，圖4中的2 MHz雙通道1A降壓LED驅(qū)動器示例電路具有高效率和超小尺寸等特點，可將其更改為通過34 V至36 V輸入為每個通道提供高達30 V的LED電源（如數(shù)據(jù)手冊中所示），效率高于90％。

13位RGBW色彩控制

兩個LT3964驅(qū)動器足以用1 A（或以上）驅(qū)動單個或一串RGBW LED，如圖5所示。雖然RGBW色彩通常以1:256、8位分辨率控制，但LT3964可以為每個通道提供高達1:8192、13位的PWM調(diào)光功能以及1:10的模擬調(diào)光功能——全部由I2C控制。

這種直驅(qū)方法允許分量RGBW LED在亮度和電壓方面存在較大差異——每個通道完全獨立。在此示例中，單個Cree RGBW LED由四個LT3964通道驅(qū)動，每個通道輸出1A電流。通過簡單更改數(shù)字寄存器，亮度和色彩控制可擴展至1:8192 PWM調(diào)光，并且1/10模擬調(diào)光可支持每個紅、綠、藍、白LED。對色彩的唯一真正限制是LED本身。實際上，如果需要，如此強大的混色控制能力允許對LED進行色彩校正。

輕松同步大陣列和低紋波工作模式

集成的同步功率開關(guān)和2 MHz開關(guān)頻率可實現(xiàn)超小尺寸的解決方案，每個LED通道都有一個小電感和一個瓷片輸出電容。LT3964的CLKOUT和SYNC引腳允許兩個IC同步，防止不必要的拍頻，并通過串行通信保持PWM調(diào)光的統(tǒng)一時序。這樣就不需要從外部時鐘源為兩個IC提供時鐘，從而簡化了解決方案。

圖6展示了該4通道雙IC解決方案的低紋波輸出電流，與上面提到的更高紋波矩陣LED調(diào)光器解決方案形成對比。顯然，非矩陣直驅(qū)LT3964解決方案的LED電流波形比矩陣調(diào)光器解決方案更清晰；矩陣調(diào)光器解決方案由于輸出電容較小，所以其紋波含量較高。

靈活、直觀的降壓方案

LT3964非常靈活，可支持需要四個以上色彩分量的系統(tǒng)。RGB(W) LED的色域如圖7所示。當(dāng)需要更寬的色彩范圍時，可以添加兩個額外的LED元件，例如琥珀色、額外綠色甚至青色LED。要驅(qū)動其他分量色彩，只需將另一個LT3964連接到同一I2C總線即可。

并非所有RGBW混色LED系統(tǒng)都使用單片RGBW LED芯片。在部分系統(tǒng)中，將獨立的紅、綠、藍LED串集成到更大、更亮的燈具當(dāng)中。只要LED串電壓低于輸入電壓，每個LT3964降壓通道就可以驅(qū)動具有不同電壓的LED串。單個LT3964通道可以1A或以上的電流驅(qū)動高達30 V的LED串。

I2C串行通信

使用LT3964 LED驅(qū)動器時，有兩種模擬和PWM調(diào)光控制方案可選。一種方案是在不使用串行總線的情況下直接用外部電壓驅(qū)動調(diào)光引腳。在非I2C模式下，對于LED模擬調(diào)光，CTRL1和CTRL2引腳由可調(diào)直流電壓驅(qū)動；PWM1和PWM2引腳由脈沖信號驅(qū)動，占空比與LED的PWM調(diào)光亮度相對應(yīng)。在此方法中，LED PWM頻率與PWM引腳輸入同步，LED亮度和LED電流占空比與PWM引腳輸入脈沖相匹配。在較大的系統(tǒng)中，為大量通道生成PWM和模擬調(diào)光輸入信號組合可能非常復(fù)雜。

第二種可能更有效的方法是使用串行通信總線（例如I2C）來控制每個LED通道或串。簡單的2-線I2C總線用于通過單個主控器件（如小型微控制器）控制8個不同從屬器件的功能。I2C總線主機運行速率高達400 kHz，只需生成三個字節(jié)即可對LT3964從屬器件上9個寄存器中的每個寄存器進行更新。有四個PWM寄存器、兩個模擬調(diào)光寄存器、一個用于設(shè)置故障的狀態(tài)使能寄存器、一個用于讀取故障的狀態(tài)寄存器以及一個用于一些全局功能的配置寄存器。I2C寫命令的三個字節(jié)包括地址、子地址和數(shù)據(jù)字。圖8所示為LT3964串行通信中使用的不同I2C寫字和讀字。

LT3964具有基于I2C的13位(1:8192)PWM調(diào)光功能。通過寫入每個通道的兩個PWM調(diào)光寄存器來設(shè)置PWM調(diào)光占空比和頻率，如圖9所示。圖10所示為結(jié)果形成的ILED波形。通過一系列快速I2C寫操作，可以輕松更新多達16個不同的通道（每個通道兩個地址，總共八個）

除PWM調(diào)光控制外，每個通道還有一個8位模擬調(diào)光寄存器，可通過單個寫命令進行更新。調(diào)用模擬調(diào)光時，通常僅使用低至約1/10的調(diào)光。更常見的情況是，PWM調(diào)光專門用于RGBW混色——足以實現(xiàn)精確和可重復(fù)的色彩創(chuàng)建，無需添加模擬調(diào)光。然而，在需要擴展控制的系統(tǒng)中，可以使用盒子里的直流LED電流調(diào)節(jié)工具。

其他I2C寄存器包括故障保護設(shè)置和讀取功能。LT3964可以通過其ALERT引腳和I2C狀態(tài)寄存器報告每個通道的故障。僅在狀態(tài)寄存器單獨使能且發(fā)生故障時才會報告故障?？梢允鼓?、報告和讀取兩個通道的開路LED、短路LED、過流和過壓反饋故障（圖9）。也可以禁用和忽略這些故障。故障保護有可能是任何串行通信系統(tǒng)的關(guān)鍵部分。

2 MHz演示電路和QuikEval

通過I2C可以輕松生成原型并評估LT3964 LED系統(tǒng)。ADI公司已經(jīng)創(chuàng)建了一個演示電路，其中包括用于測試串行通信的圖形用戶界面。當(dāng)通過USB用Linduino?One演示電路(DC2026C)連接到PC時，該系統(tǒng)使用QuikEval?程序。演示電路手冊中包括快速入門指南，其中描述了連接和評估LT3964演示電路DC2424A的方法。簡而言之，當(dāng)通過DC2026C (Linduino)連接到USB時，可以對LT3964演示電路串行通信進行評估，一次一個命令。

圖9、11和12顯示了LT3964演示電路易于使用的圖形用戶界面頁面。在每頁上，可以設(shè)置寄存器元件，然后通過I2C串行總線進行更新。可以更新每個通道的模擬和PWM調(diào)光寄存器，以及狀態(tài)使能位、全局配置寄存器和狀態(tài)使能位。對于通過總線發(fā)送的每個I2C命令，該界面顯示了生成的地址、子地址和數(shù)據(jù)位。也可以通過圖形用戶界面的讀取命令對寄存器進行讀回操作。如果在測試期間發(fā)生故障，圖形用戶界面會在左上方顯示警報信號（圖13），并且可以采取步驟檢查故障的性質(zhì)并通過STATUS和STATUS ENABLE寄存器清除故障。

在單個RGBW系統(tǒng)中，I2C總線上需要兩個獨立的IC地址（用于四個LED分量）。默認(rèn)情況下，圖形用戶界面會將所有命令發(fā)送到默認(rèn)地址“1100”，但可以更改該地址。該地址顯示在每個頁面的右上角，可以通過單擊數(shù)字進行更改。由此，可以通過圖形用戶界面來控制和讀取多達八個地址的調(diào)光和狀態(tài)寄存器。此外，圖形用戶界面的數(shù)字字頁面允許用戶手動輸入任意三個地址、子地址和數(shù)據(jù)字，并將它們作為I2C命令發(fā)送出去。用戶可以查閱數(shù)據(jù)表或圖形用戶界面的其他頁面，生成讀和寫命令，這些命令顯示在屏幕底部的串行數(shù)據(jù)日志中。

從圖13可以看出，使用圖形用戶界面和Linduino，可以通過I2C控制排線輕松地將兩個現(xiàn)成的DC2424A演示電路連接起來。SDA和SCL 2-線I2C線路在總線上共享，警報信號與Linduino排線連接在一起。每個LT3964的ALERT引腳都是一個開路集電極下拉，因此當(dāng)任何IC上發(fā)生故障時，主機都可以檢測到。發(fā)生這種情況時，圖形用戶界面會在左上角顯示一個紅色ALERT標(biāo)志圓圈。一旦主控微控制器檢測到系統(tǒng)故障，就會根據(jù)警報響應(yīng)協(xié)議檢測和/或清除故障。

故障檢測與協(xié)議

LT3964具有廣泛的故障保護功能。它可以順暢地處理LED串的開路和短路故障。它還可以處理輸出的過流故障，這些故障不一定是短路。發(fā)生這些故障時，LT3964的ALERT故障標(biāo)志會置位。在同一總線上共享時，若系統(tǒng)中任何LT3964出現(xiàn)故障，ALERT總線會被拉低（置位）。I2C通信首先可用于定位故障IC，然后診斷故障本身?？梢栽跔顟B(tài)使能寄存器中設(shè)置可置位ALERT標(biāo)志的故障類型。此處可以使能或禁用短路LED或LED過流等故障。

在ALERT置位之后，用廣播讀取命令輪詢從屬IC，找出置位警報的IC。在出現(xiàn)多個警報的情況下，較低地址的IC首先發(fā)送其地址。下一步是讀取故障地址的STATUS寄存器。結(jié)果應(yīng)該能提供足夠的信息來診斷故障并清除故障標(biāo)志。如果故障標(biāo)志保持置位，則另一個廣播讀取命令可以檢查后續(xù)故障地址。當(dāng)完成對故障地址和狀態(tài)寄存器的讀取時，可以通過向故障地址發(fā)送寫命令來清除故障狀態(tài)位。如果故障未清除，則可以通過報告提出服務(wù)需求，或者關(guān)閉使能故障的狀態(tài)位，忽略故障。

結(jié)論

具有I2C串行通信功能的LT3964雙降壓LED驅(qū)動器可用于存在大量高功率LED和LED通道的計算機控制照明系統(tǒng)。兩個LT3964足以用1A電流驅(qū)動單個RGBW LED或RGBW LED串，實現(xiàn)精準(zhǔn)調(diào)光，產(chǎn)生可預(yù)測且可重復(fù)的色彩分量。

使用現(xiàn)成的DC2424A演示電路和免費的QuikEval PC軟件，可以輕松進行評估。LT3964的共享I2C 2-線串行通信總線可用于控制多達8個地址和16個開關(guān)通道。其寬輸入電壓范圍和緊湊但功能強大的集成式同步降壓開關(guān)在每個通道上可支持高達30 V的LED。高達2 MHz的開關(guān)頻率能夠?qū)崿F(xiàn)緊湊型設(shè)計和小型電感，這對于在具有眾多LED和通道的大型系統(tǒng)中復(fù)制驅(qū)動器電路非常重要。

作者簡介

Keith Szolusha是加利福尼亞州米爾皮塔斯ADI公司的LED驅(qū)動器應(yīng)用經(jīng)理。他擁有麻省理工學(xué)院的電子工程學(xué)士學(xué)位（1997年）和電子工程碩士學(xué)位（1998年）（馬薩諸塞州劍橋），主修技術(shù)寫作。聯(lián)系方式：keith.szolusha@analog.com。

本文轉(zhuǎn)自：通過帶I2C控制功能的高功率4×1 A RGBW LED簡單、準(zhǔn)確地控制13位色彩

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