智能LED控制及接口設(shè)計(jì)方案

　　隨著LED在發(fā)光性能、成本等幾乎各個(gè)方面的改進(jìn)，LED的應(yīng)用范圍越來(lái)越廣，但在各應(yīng)用領(lǐng)域滲透的比例高低不一。如可尋址標(biāo)志和建筑物照明這樣的商業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域中，LED憑借在色彩、總體擁有成本、工作壽命、可靠性和便利性方面的優(yōu)勢(shì)，應(yīng)用非常廣泛。如在建筑物裝飾照明應(yīng)用中，使用LED可在建筑物外墻上營(yíng)造出豐富的色彩，及更好地彰顯建筑物的結(jié)構(gòu)。在移動(dòng)標(biāo)志應(yīng)用中，還可以實(shí)時(shí)更新交通顯示屏、視頻圖像及廣告牌上的信息。

　　安森美半導(dǎo)體身為應(yīng)用于高能效電子產(chǎn)品的首要高性能硅方案供應(yīng)商，針對(duì)各種LED應(yīng)用提供寬范圍的LED驅(qū)動(dòng)器方案，其中就包括用于可尋址標(biāo)志和建筑物裝飾照明兩類常見(jiàn)應(yīng)用的系列線性驅(qū)動(dòng)器（詳見(jiàn)下表）。這些驅(qū)動(dòng)器能夠精確地穩(wěn)定LED電流，并包含可編程接口，利于軟件控制。本文將以CAT4008、CAT4103和CAT9552為例，分別闡述其主要功能和基本工作原理，便于工程師的選型設(shè)計(jì)。

　　表1：安森美半導(dǎo)體應(yīng)用于標(biāo)志及建筑物裝飾照明的系列智能LED控制/驅(qū)動(dòng)器。

　　針對(duì)LED廣告牌等應(yīng)用的恒流汲入型LED驅(qū)動(dòng)器

　　諸如廣告牌標(biāo)志、滾動(dòng)橫幅、智能車輛標(biāo)志和體育計(jì)分板等LED應(yīng)用需要采用多顆LED，通常包含多串LED，要求LED驅(qū)動(dòng)方案提供恒定的光輸出，不同通道間的電流匹配精度要高，要提供易用的接口來(lái)控制不同LED通道，并且要具備可靠的保護(hù)功能。安森美半導(dǎo)體針對(duì)這類應(yīng)用的方案包括CAT4008和CAT4106等恒流LED汲入型驅(qū)動(dòng)器，其中前者支持8通道，后者支持16通道。

　　以CAT4008為例，典型LED通道匹配精度達(dá)±1.5%，且LED通道能夠在輸出電壓低至0.4V（當(dāng)LED電流為2~100 mA時(shí)）時(shí)保持穩(wěn)流狀態(tài)，在應(yīng)用設(shè)計(jì)中可以此實(shí)現(xiàn)更高的電源效率。圖1左側(cè)顯示的是CAT4008的框圖，不同引腳的詳細(xì)功能說(shuō)明參見(jiàn)參考資料［1］。這器件使用8路緊密匹配的汲電流來(lái)對(duì)每個(gè)通道的LED電流進(jìn)行穩(wěn)流，而外部電阻RSET用于將LED通道電流設(shè)定為RSET電流的約51倍。由于每個(gè)通道包含獨(dú)立電流感測(cè)電路，故CAT4008能夠?yàn)樗型ǖ蓝继峁┚o密的穩(wěn)流。在大多數(shù)電流和電源電壓條件下LED通道的最大壓降為0.4 V，幫助改善散熱及提升LED驅(qū)動(dòng)器能效。上電時(shí)，欠壓鎖定電路清除所有閂鎖及移位寄存器信息，并將所有輸出設(shè)置為關(guān)閉。一旦達(dá)到欠壓鎖定閾值，就可以設(shè)定器件。驅(qū)動(dòng)器將每個(gè)連續(xù)LED輸出通道的激活時(shí)間各延遲17納秒（典型值），即LED2相對(duì)LED1延遲17納秒，LED3相對(duì)LED1延遲34納秒，并依次類推。延遲在閂鎖（LATCH）引腳激活時(shí)引入，從而將LED電源上的浪涌電流降至最低，從而能夠使用更小的旁路電容。

　　速度高達(dá)25MHz的高速、四線（4-Wire）串行接口通過(guò)移位寄存器和鎖存架構(gòu)控制8通道中的每一個(gè)LED通道。串行數(shù)據(jù)輸出引腳允許多個(gè)器件通過(guò)同一個(gè)串行接口串聯(lián)使用。CAT4008還有輸出關(guān)閉引腳，該引腳可被用來(lái)關(guān)閉所有LED通道，而不必依賴串口發(fā)送數(shù)據(jù)。此外，CAT4008還具備熱保護(hù)功能，在芯片溫度超過(guò)許可限度時(shí)關(guān)閉LED輸出。

　　圖1：安森美半導(dǎo)體8通道恒流LED汲入型驅(qū)動(dòng)器CAT4008框圖及應(yīng)用示例。

　　高亮度、高視覺(jué)沖擊力建筑物照明應(yīng)用的RGB LED像素驅(qū)動(dòng)器

　　某些旨在營(yíng)造高視覺(jué)沖擊力效果的建筑物裝飾照明應(yīng)用使用高亮度的LED，要求LED驅(qū)動(dòng)器能夠驅(qū)動(dòng)高亮度的RGB LED，并且要具備高速接口，從而支持高數(shù)據(jù)率并確保維持高數(shù)據(jù)完整性，還需要具備超低的壓降，從而提供更高的能效。

　　安森美半導(dǎo)體適合這類應(yīng)用的LED驅(qū)動(dòng)器包括的帶獨(dú)立電流控制功能的三通道恒流RGB LED像素驅(qū)動(dòng)器CAT4103和CAT4109。其中，CAT4103為高端、多色彩、“智能”LED建筑物照明應(yīng)用而設(shè)計(jì)，具有高速串行接口，能支持達(dá)25 MHz的數(shù)據(jù)率，提供完全緩沖的數(shù)據(jù)輸出，確保在分布式（長(zhǎng)距離）、菊花鏈型照明系統(tǒng)中維持最高的數(shù)據(jù)完整性。而CAT4109使用并行接口，每條通道具有專門的脈寬調(diào)制（PWM）控制，非常適合更常規(guī)的LED視覺(jué)效果應(yīng)用，如混色和建筑物重點(diǎn)照明。

　　圖2：安森美半導(dǎo)體CAT4103框圖、典型應(yīng)用電路圖及應(yīng)用示例。

　　CAT4103和CAT4109都支持每通道達(dá)175 mA的寬廣范圍LED恒流驅(qū)動(dòng)，電流為60 mA時(shí)壓降電平至0.3 V ，確保在驅(qū)動(dòng)長(zhǎng)串LED時(shí)提供最高性能。這些驅(qū)動(dòng)器每通道支持25 V的電壓電平，能夠以超過(guò)10瓦（W）的高亮度功率電平支持RGB像素。

　　CAT4103和CAT4109是安森美半導(dǎo)體恒流低壓降驅(qū)動(dòng)器（LDO）產(chǎn)品線的兩款產(chǎn)品，這產(chǎn)品線還包括CAT4101和CAT4104等，其中，CAT4101提供高精度的1 A電流驅(qū)動(dòng)能力，而CAT4104是一款四通道的恒流LED驅(qū)動(dòng)器，適合通用及建筑物照明、汽車照明、LCD背光等應(yīng)用。

　　I2C指示器驅(qū)動(dòng)器及端口擴(kuò)展器

　　市場(chǎng)上可以看到諸如由閃爍LED組成的廣告銷售標(biāo)牌和具備開(kāi)/關(guān)LED指示器的各種消費(fèi)或工業(yè)用設(shè)備，這些應(yīng)用需要能夠控制各個(gè)LED單獨(dú)導(dǎo)通/關(guān)閉或以某種頻率來(lái)閃爍的驅(qū)動(dòng)方案，安森美半導(dǎo)體的16通道I2C LED指示器及端口擴(kuò)展器CAT9532和CAT9552就是適合這類應(yīng)用的兩款產(chǎn)品。

　　CAT9532和CAT9552提供16位并行輸入/輸出（I/O）端口擴(kuò)展器，優(yōu)化用于LED調(diào)光控制，輸出能夠直接驅(qū)動(dòng)并聯(lián)的16顆LED（每通道電流25 mA），每個(gè)LED都可以單獨(dú)導(dǎo)通、關(guān)閉，或以兩種可編程速率中的一種來(lái)閃爍。兩款器件的I/O均可用作通用I/O（GPIO），未被用于控制LED的端口能夠當(dāng)成普通端口來(lái)使用（參見(jiàn)圖3）。

　　圖3：CAT9552典型應(yīng)用電路圖。

　　這兩款器件適合于需要限制總線流量或清空總線主控定時(shí)器的I2C和SMBus應(yīng)用。兩款器件都包含內(nèi)部振蕩器和驅(qū)動(dòng)LED輸出的兩個(gè)脈寬調(diào)制（PWM）信號(hào)，用戶可以設(shè)定每個(gè)獨(dú)立PWM信號(hào)的周期和占空比。CAT9532的可選可編程閃爍頻率范圍為0.593 Hz至152 Hz，CAT9552為0.172 Hz至44 Hz，兩款器件的占空比為0%至99.6%，適合的具體應(yīng)用包括背光、RGB混色、傳感器控制、電源開(kāi)關(guān)/按鈕、報(bào)警系統(tǒng)、辦公設(shè)備、家電控制面板和銷售點(diǎn)（POS）顯示屏等。

　　總結(jié)：

　　本文分析了常見(jiàn)的LED控制應(yīng)用及其對(duì)驅(qū)動(dòng)/控制方案的基本要求，介紹了安森美半導(dǎo)體用于這些應(yīng)用的主要產(chǎn)品及其特點(diǎn)。而安森美半導(dǎo)體身為應(yīng)用于高能效電子產(chǎn)品的首要高性能硅方案供應(yīng)商，提供涵蓋1 至數(shù)百瓦功率范圍的LED照明驅(qū)動(dòng)及PFC解決方案，適合包括本文所述LED控制應(yīng)用在內(nèi)的寬廣應(yīng)用范圍，而無(wú)論LED照明應(yīng)用采用的是AC-DC電源、DC-DC電源或是電池供電，并滿足客戶對(duì)低成本、高性價(jià)比、高能效的要求。