用集成式 8 開關(guān)無閃爍驅(qū)動器 控制矩陣式 LED 前燈中的單個 LED

　　LED 兼具設(shè)計靈活性和堅固、實用的電路，使汽車設(shè)計師能夠用其設(shè)計引人注目和具備極長壽命和高性能的前燈。汽車設(shè)計師越來越多地在照明系統(tǒng)中采用 LED，因為 LED 可用來產(chǎn)生獨具特色、引人注目的設(shè)計，有助于區(qū)分新型號和老型號，或者區(qū)分高端車型和經(jīng)濟(jì)車型。

　　毫無疑問，汽車 LED 照明時代已經(jīng)來臨，但是尚未發(fā)揮出最大潛力。未來車型將采用更多 LED 燈，LED 燈將有新的形狀和顏色，對單個 LED 的控制將增強(qiáng)。簡單的 LED 串將讓位于 LED 矩陣，通過電腦控制可以對矩陣中的每一個 LED 單獨地調(diào)光，從而能夠?qū)崟r實現(xiàn)無限多種生動的照明圖案。這種未來已經(jīng)近在咫尺：凌力爾特公司的 LT3965 LED 矩陣驅(qū)動器使汽車照明設(shè)計很容易再向前邁進(jìn)一步。

　　用單個 IC 通過 I2C 控制 8 個功率開關(guān)

　　基本的 LED 前燈設(shè)計采用一致的 LED 電流，因此亮度也是一致的。但是這種方法將 LED 潛能的很大部分留了在紙面上。矩陣式前燈能夠通過控制 LED 串中單個 LED 的亮度，因而利用了 LED 與生俱來的優(yōu)勢。

　　從理論上說，利用電腦控制的功率開關(guān)以控制 LED 矩陣中的單個 LED 并不困難，從而讓單個 LED 接通或斷開，或?qū)蝹€ LED 進(jìn)行 PWM 調(diào)光，以產(chǎn)生獨特的照明圖案和功能。每個 LED （或 LED 串中的一段） 需要使用自己的轉(zhuǎn)換器，或者使用自己的并聯(lián)功率開關(guān)?？梢杂镁邆浯型ㄐ殴δ艿膫鹘y(tǒng)驅(qū)動器 / 轉(zhuǎn)換器 IC 建立一個矩陣驅(qū)動器，不過一旦 LED 矩陣需要兩個或 3 個以上的開關(guān)時，設(shè)計一個由分立式組件組成的解決方案就變得富挑戰(zhàn)性了，因為需要使用一個尺寸大于 LED 矩陣的組件矩陣。

　　LT3965 I2C 8 開關(guān)矩陣式 LED 調(diào)光器使得很容易控制大型或小型 LED 矩陣 （可多達(dá) 512 個 LED）。圖 1 顯示了在凌力爾特演示電路板 DC2218 上運行的 LT3965。

　　圖 1：LT3965 LED 矩陣調(diào)光器演示電路板 DC2218 作為 Linduino™ （DC2026） 的屏蔽罩使用。這個演示電路板驅(qū)動前燈、轉(zhuǎn)向信號燈、尾燈和裝飾燈，可通過 USB 電纜連接到凌力爾特圖形用戶界面，以進(jìn)行評估。

　　高度集成的設(shè)計 （參見圖 2） 最大限度減少了所需組件?？蓡为毜貙ぶ返?LT3965 通道可以很多方式控制 LED 矩陣，包括：

　　每個 LT3965 可控制 8 個調(diào)光通道，即一個 LED 串中的 8 個 LED 或 8 段 LED。

　　8 個通道可控制兩個 RGBW LED 模塊上單獨的紅、綠、藍(lán)和白光，以調(diào)節(jié)亮度、改變儀表板或裝飾照明系統(tǒng)的色彩。

　　多個 LT3965 可以通過單一通信總線單獨地尋址，以成倍增加大型陣列中的 LED 串?dāng)?shù)目。

　　LT3965 的每個通道可控制多個 LED，或者多個通道可以組合，以高效地控制在較大電流的單個 LED。

　　圖 2：LT3965 60V 8 開關(guān) LED 矩陣調(diào)光器方框圖，包括 8 個功率 NMOS 并聯(lián)開關(guān)以用于亮度控制、一個故障標(biāo)志和 I2C 串行通信接口。

　　當(dāng)與合適的恒定電流 LED 驅(qū)動器結(jié)合使用時，矩陣調(diào)光器 LED 驅(qū)動器允許電腦控制前燈、白天行車燈、剎車燈和尾燈、側(cè)彎燈、儀表板顯示器以及其他裝飾照明系統(tǒng)中的單個 LED。LT3965 內(nèi)置的自動故障檢測功能在發(fā)生故障時保護(hù)單獨 LED，并向微控制器報告故障情況。

　　60V LT3965 包括 8 個集成的 330mΩ 功率開關(guān)，這些開關(guān)可連接一個或多個 LED。這些功率開關(guān)作為并聯(lián)器件使用，斷開特定通道上的 LED 或?qū)@些 LED 進(jìn)行 PWM 調(diào)光。這些開關(guān)形成了 8 個可單獨地控制亮度的通道 （調(diào)光比高達(dá) 256:1） 和一個 LED 串上 8 個不受故障影響的 LED 段。

　　當(dāng)所有 8 個功率開關(guān)同時接通時 （所有 LED 都關(guān)閉），LT3965 可應(yīng)對 500mA LED 串電流。這些開關(guān)可以并聯(lián)連接，使 1A 電流通過 4 個 LED 通道，如本文稍后所示。不管 LED 數(shù)量多少或電流大小，LED 串都必須由恰當(dāng)設(shè)計的轉(zhuǎn)換器驅(qū)動，該轉(zhuǎn)換器的帶寬必須能夠應(yīng)對矩陣調(diào)光器的快速瞬態(tài)。本文中將探討一些參考設(shè)計。

　　“升壓然后雙降壓模式” 轉(zhuǎn)換器 LT3797 以兩個 LT3965 在 500mA 驅(qū)動兩個 LED 串，總共 16 個 LED

　　LT3965 的 8 個并聯(lián)功率開關(guān)控制在 500mA 的 8 個 LED 通道之亮度。8-LED 矩陣調(diào)光器系統(tǒng)的 LED 串電壓可能在 0V 至 26V 之間，取決于在給定時間內(nèi)有多少 LED 接通或斷開。要驅(qū)動這些 LED，建議使用大帶寬、以及不用輸出電容器或輸出電容器很小的 30V 降壓型轉(zhuǎn)換器。這種降壓型拓?fù)湟螅?V 至 16V 汽車輸入是 “預(yù)先升壓”至 30V 軌，然后降壓型穩(wěn)壓器能夠運作。

　　三輸出 LT3797 LED 控制器可以很方便地作為“預(yù)先升壓”然后降壓的單個 IC 解決方案使用。該器件的一個通道可以配置為升壓型穩(wěn)壓器，之后跟隨的是其余兩個通道，配置為降壓型 LED 驅(qū)動器。兩個降壓型 LED 驅(qū)動器的每一個可驅(qū)動一串矩陣式調(diào)光 LED。這種拓?fù)溆泻芏鄡?yōu)勢，最顯著的是，無論 LED 串的電壓高于還是低于電池電壓，該電路都會持續(xù)以最佳模式運行。

　　圖 3 顯示了圖 1 所示演示電路板的原理圖，包括一個 “升壓然后雙降壓模式” 轉(zhuǎn)換器 LT3797 和 LT3965 矩陣式前燈調(diào)光系統(tǒng)，該系統(tǒng)共有 16 個 LED，以 500mA 電流運行。每個 LED 可單獨地控制以接通、斷開或 PWM 調(diào)光至低達(dá) 1/256 亮度。LT3797 的 350kHz 開關(guān)頻率位于 AM 頻帶以外 （可以很好地降低 EMI），從同一 350kHz 時鐘產(chǎn)生的 LT3965 170Hz PWM 調(diào)光頻率位于可見光頻率范圍以外。憑借正確的系統(tǒng)同步，采用 LT3797 和 LT3965 的矩陣式前燈可以無閃爍運行。

　　圖 3： LT3965 LED 矩陣調(diào)光器系統(tǒng)采用了“升壓然后雙降壓模式”LED 驅(qū)動器 LT3797，兩個 LT3965 矩陣調(diào)光器以汽車電池提供的 500mA 電流驅(qū)動16 個 LED。I2C 串行通信接口用于控制單個 LED 的亮度和檢查 LED 及通道故障。

　　LT3797 降壓模式轉(zhuǎn)換器為應(yīng)對極快的瞬態(tài)而優(yōu)化，使用很小的輸出電容器或不使用輸出電容器，具備恰當(dāng)補(bǔ)償?shù)目刂骗h(huán)路。這些帶寬 》30kHz 的轉(zhuǎn)換器可耐受 LED 接通和關(guān)斷以及隨意性 PWM 調(diào)光時產(chǎn)生的快速 LED 瞬變。布設(shè)在 LED 檢測電阻器上的一個濾波電容器取代了控制系統(tǒng)中的一個極點，當(dāng)為實現(xiàn)矩陣式調(diào)光器的快速瞬態(tài)性能而減少或去除輸出電容器時，該極點會丟失。

　　從開關(guān)節(jié)點引出的一個充電泵用于把 LT3965 VIN 引腳供電至比 LED+ 電壓高 7V，以使上管通道 NMOS 在被驅(qū)動時得到全面強(qiáng)化。LT3965 中的低 RDS（ON） NMOS 開關(guān)可實現(xiàn)高功率運作而不使 IC 變熱，即使在所有 8 個并聯(lián)開關(guān)均導(dǎo)通以關(guān)閉整個 LED 燈串時也不例外。在該場合中，LT3797 LED 驅(qū)動器可安全經(jīng)受由所有 8 個并聯(lián)開關(guān)所造成的虛擬輸出短路而不發(fā)生任何問題，并且能容易地通過下一個接通的 LED 快速地調(diào)節(jié) 500mA。

　　演示電路 DC2218 （圖 1 所示） 采用了圖 3 所示系統(tǒng)，并通過 Linduino™ One 演示電路DC2026，用所連接的 I2C 微控制器控制一個矩陣式前燈。DC2218 用作一個大型 Linduino 屏蔽罩，串行碼流速率高達(dá) 400kHz，可產(chǎn)生不同的前燈照明圖案，并與凌力爾特的圖形用戶界面 （圖 4） 接口。

　　圖 4：基于 PC 的界面使設(shè)計師能夠控制并監(jiān)視由 LT3965 驅(qū)動的 LED。

　　在圖 4 所示的圖形用戶界面 （GUI） 中，LED 亮度和故障保護(hù)功能可以用 ALL CHANNEL MODE 和 SINGLE CHANNEL MODE 命令檢查，并用 FAULT CHECK 讀和寫命令檢查 LED 開路和短路狀態(tài)。無閃爍運行、故障保護(hù)以及瞬態(tài)運行都可以用這個演示電路系統(tǒng)檢查。DC2218 可以直接插入 12V DC 電源，而且可以由一個運行該 GUI 的個人電腦控制，或者通過一個簡單的USB 連接重新設(shè)定。

　　采用并聯(lián)通道的 1A LED 矩陣驅(qū)動器

　　LT3965 可用來驅(qū)動 1A LED 通道矩陣。并聯(lián)連接 LT3965 的功率開關(guān)很容易，這樣兩個功率開關(guān)就可以均分 1A LED 電流，而每個 LT3965 則控制 4 個 1A 通道。用并聯(lián)功率開關(guān)提供較大電流的一種方式是，每個反相并聯(lián)開關(guān)僅在 50% PWM 周期內(nèi)運行。由于交替運行，單個 NMOS 功率開關(guān)僅在一半時間內(nèi)通過 1A 電流，所以與同樣一個 NMOS 功率開關(guān)在全部時間內(nèi)通過 500mA 電流相比，實際產(chǎn)生的熱量大約相同。

　　圖 5 顯示了一個 1A 矩陣式前燈系統(tǒng)，該系統(tǒng)的 8 個 LED 由兩個 LT3965 驅(qū)動，還采用了一個“升壓然后雙降壓模式”轉(zhuǎn)換器 LT3797。當(dāng)進(jìn)行 PWM 調(diào)光時，LT3797 采用獨特的 8 開關(guān) 1/8 周期相位關(guān)系，如圖 6 所示。在這個 1A 矩陣式系統(tǒng)中，LT3797 的通道成對并聯(lián)，以便配對的通道是反相，相互相差 180°，具體而言是通道 8 和 4、7 和 3、6 和 2 以及 5 和 1 配對。并聯(lián)通道交替分流，有效地將 PWM 頻率提高了一倍，提供了分散電流和熱量的優(yōu)勢。要想讓這正常工作，任何單一并聯(lián)功率開關(guān)的最大占空比都是 50%，因為兩個反相開關(guān)在 50% 時間接通 （每個開關(guān)在 50% 時間對 LED 分流） 可使 LED 在 100% 時間內(nèi)斷開。

　　圖 5：1A LED 矩陣驅(qū)動器整合反相運行的并聯(lián)通道，以實現(xiàn)電流更大的大功率 LED 前燈系統(tǒng)應(yīng)用

　　圖 6：8 個 LT3965 電源開關(guān)的 1/8 PWM 無閃爍相位，在通過 PWM 調(diào)光進(jìn)行亮度控制時限制瞬態(tài)

　　每個 LT3965 控制 4 個 1A LED 的亮度，這 4 個 LED 由兩個 1A 降壓模式 LT3797 通道驅(qū)動 （來自 LT3797 升壓的 20V 通道）。這個堅固的大功率系統(tǒng)可以擴(kuò)展，用更多 LT3965 為更多 LED 供電，或者用更多并聯(lián)通道為 LED 提供更大的電流?？梢悦總€通道以 1A 電流驅(qū)動兩個 LED 和驅(qū)動這個靈活前燈系統(tǒng)的功率。

　　每通道超過一個 LED

　　LT3965 的每通道可以支持 1 至 4 個 LED。盡管單獨地控制每一個 LED 有利于實現(xiàn)故障保護(hù)或高分辨率的照明圖案，但并不總是有必要這么做。每通道驅(qū)動多于一個 LED 可減少系統(tǒng)所需的矩陣式調(diào)光器的數(shù)量，而且就某些設(shè)計而言，這足以滿足照明圖案和調(diào)光要求。前燈、信號燈和尾燈的各個段可能有多達(dá) 4 個亮度相同的 LED。應(yīng)急 LED 燈可能有 3 或 4 個 LED 以相同的圖案閃爍和擺動。

　　圖 7 所示電路顯示了每通道兩個 LED 的系統(tǒng)，這個系統(tǒng)的 LED 數(shù)量與圖 3 所示電路相同，但是僅用了一個而不是兩個 LT3965 矩陣式調(diào)光器。

　　圖 7：靈活的 LT3965 可驅(qū)動不同 LED 串上的 LED 通道，每通道可驅(qū)動 1 至 4 個 LED。（完整的驅(qū)動器電路類似于圖 3，但如本圖所示，僅使用一個 LT3956。）

　　當(dāng)通過 I2C 接口發(fā)來的命令要求 LT3965 接通、斷開或?qū)σ粋€通道調(diào)光時，受到影響的是由該通道的并聯(lián)功率開關(guān)所控制之兩個 LED。為了保持在 LT3965 電壓限制范圍內(nèi)，16 個 500mA LED 仍然需要分成兩個串聯(lián)的 LED 串，如圖 2 所示?？梢允褂门c圖 2 中相同的 LT3797 電路，但是僅用單個 LT3965 控制兩個 LED 串的亮度。這說明，LT3965 中的每個 NMOS 并聯(lián)功率開關(guān)可以不受其他影響而獨立地配置，從而允許無窮多種矩陣設(shè)計。

　　用于無閃爍 PWM 和漸變功能的全通道模式和單通道模式 I2C 命令

　　LT3965 的 I2C 指令集包括一字、兩字和三字命令。這些命令通過串行數(shù)據(jù)線 （SDA） 和主控器產(chǎn)生的時鐘線 （SCL） 以高達(dá) 400kHz 的速度發(fā)送。主微控制器負(fù)責(zé)發(fā)送全通道模式 （ACM） 或單通道模式 （SCM） 寫命令，以控制 LED 通道的亮度、漸變、開路門限和短路門限以及 LT3965 地址。

　　廣播模式 （BCM）、ACM 和 SCM 讀命令要求 LT3965 報告其寄存器中的內(nèi)容，包括開路和短路寄存器，以進(jìn)行故障診斷。當(dāng)發(fā)生新的故障時，LT3965 給出 ALERT 標(biāo)記。確定哪個 LT3965 報告了故障以及確定了故障類型和通道后，微控制器可以對故障做出響應(yīng)。在多個 LT3965 IC 報告故障的情況下，LT3965 可給主器件對故障報告排序，以防止差錯信息重疊。這保證了警報響應(yīng)系統(tǒng)的可靠性和正確性。LT3965 數(shù)據(jù)表中給出了寄存器和命令集的完整列表。

　　ACM 寫命令僅用兩個 I2C 字，就可以即時接通或斷開單一 LT3965 地址的所有 8 個通道，這些通道同時轉(zhuǎn)換到接通或斷開狀態(tài)。將大量 LED 接通或斷開會給 DC/DC 轉(zhuǎn)換器施加一個明顯的電流電壓負(fù)載階躍。這里介紹的轉(zhuǎn)換器能從容地處理這些瞬變，而且?guī)缀趸蛲耆恍枰敵鲭娙萜骱透邘挕?/p>

　　如圖 8 所示，對大量 LED 進(jìn)行通斷轉(zhuǎn)換的 ACM 寫命令不會使其他通道的 LED 電流產(chǎn)生可見閃爍或大的瞬態(tài)。之所以產(chǎn)生了如此小和可控的瞬態(tài)，是因為采用了以 LT3797 為主構(gòu)成的大帶寬降壓模式轉(zhuǎn)換器。

　　圖 8：本文所示 LED 矩陣驅(qū)動器設(shè)計具備最小的交叉通道瞬態(tài)效應(yīng)或根本沒有這種效應(yīng)。例如，轉(zhuǎn)換一半的通道，本文情況就是同時接通兩個、關(guān)斷兩個，對其他 4 個未操作通道有很小或沒有瞬態(tài)影響。未操作通道依然保持無閃爍。

　　單通道模式寫命令產(chǎn)生相對較小和快速的單 LED 瞬態(tài)。SCM 寫命令一次僅用來將一個通道設(shè)定為 ON、OFF、有漸變或無漸變 PWM 調(diào)光。PWM 調(diào)光值在 1/256 和 255/256 之間，通過 3 字寫命令傳送，而 ON 和 OFF 可以用較短的兩字命令傳送。單個 SCM 寫命令上的一個漸變位使得 LT3965 能夠以內(nèi)部確定的對數(shù)漸變在兩種 PWM 調(diào)光級別之間移動，并且沒有額外的 I2C 通信量。每個通道的開路和短路門限可利用 SCM 寫命令在一個和四個 LED 之間設(shè)定。

　　每個通道的 LED 短路和開路故障保護(hù)

　　短路和開路保護(hù)是矩陣式調(diào)光器的一種固有優(yōu)勢。每個通道的 NMOS 電源開關(guān)能在 1 和 4 個串聯(lián) LED 之間進(jìn)行并聯(lián)分流。傳統(tǒng)的 LED 燈串具備針對整個燈串開路或短路的保護(hù)功能，只有某些 IC 擁有輸出診斷標(biāo)記以指示這些故障情況。與此完全不同的是，LT3965 能提供針對個別通道短路和開路的保護(hù)并安然度過此類故障，使運作通道保持活動和運行狀態(tài)，同時記錄和報告故障情況。

　　當(dāng)一個 LED 串中發(fā)生故障時，LT3965 會檢測到這個故障，并加上 ALERT 標(biāo)記，通知微控制器有問題需要解決。如果該故障是開路故障，那么 LT3965 會自動接通相應(yīng)的 NMOS 功率開關(guān)，繞過發(fā)生故障的 LED 直至完成全面診斷或故障消除為止。

　　LT3965 維持針對每個通道的開路和短路故障寄存器，并在發(fā)出 I2C 故障讀命令時將數(shù)據(jù)返回給微控制器。命令集包括保持該狀態(tài)寄存器不變的讀命令以及清除該故障寄存器的讀命令，從而允許進(jìn)行用戶可編程的故障診斷。寄存器可以通過寫、SCM、ACM、BCM 允許的各種不同模式讀取。

　　單通道模式 （SCM） 讀命令針對單通道返回開路和短路寄存器位。SCM 讀命令還檢查開路和短路門限寄存器、模式控制以及針對該通道的 8 位 PWM 調(diào)光值。

　　全通道模式 （ACM） 讀命令回送某給定地址之所有通道的開路和短路寄存器位 （并不清零這些位），以及所有 8 個通道的 ACM ON 和 OFF 位。

　　在具有很多 LT3965 矩陣調(diào)光器共享同一總線的復(fù)雜系統(tǒng)中，廣播模式 （BCM） 讀取操作首先詢問哪個 LT3965 地址已經(jīng)加上了故障標(biāo)記 （如果有的話）。

　　ACM 和 SCM 讀取操作可用來檢查和清除故障，并讀取所有寄存器，以實現(xiàn)一個堅固的 I2C 通信系統(tǒng)。

　　同一條總線上可有多達(dá) 16 個可尋址 LT3965

　　每個 LT3965 具有四個用戶可選的地址位，因而可提供 16 個唯一的總線地址。每個 ACM 和SCM I2C 命令被發(fā)送至共享通信總線，但只有被尋址的 LT3965 采取行動。該總線上的所有 IC 均遵守 BCM 命令。這種 4 位地址架構(gòu)允許單個微控制器和單個 I2C 兩線式通信總線支持多達(dá) 8 x 16 = 128 個可個別控制的通道。采用 LT3965 時，對于所有 （要求最高的除外） 的照明顯示器而言，汽車前照燈、尾燈和裝飾燈中所有的個別 LED 皆可由單根 I2C 通信總線和單個微控制器來控制。鑒于每個通道能夠連接至多達(dá) 4 個 LED，因此一個相對易于實現(xiàn)的系統(tǒng)可支持針對最多 512 個 LED 的矩陣式調(diào)光。

　　結(jié)論

　　LT3965 矩陣式 LED 調(diào)光器可控制單個 LED 燈串上的 8 個 LED 亮度通道，從而使照明設(shè)計師能不受限制地使用精細(xì)和引人注目的汽車照明設(shè)計。I2C 通信接口允許一個微處理器控制 LED 燈串中個別 LED 的亮度。I2C 接口中的故障保護(hù)可確保 LED 照明系統(tǒng)的堅固性。該矩陣式調(diào)光器的通道是多用途的：每個通道能控制多個 LED;通道可組合以支持較高電流 LED;或者可利用位于同一根通信總線上的多達(dá) 16 個矩陣式調(diào)光器 IC 以形成多 LED 系統(tǒng)。在汽車前照燈、尾燈、前燈、側(cè)燈、儀表板燈和裝飾燈的設(shè)計中邁出下一步 ―― 未來就是現(xiàn)在。