三基色LED驅(qū)動(dòng)原理及IC線路設(shè)計(jì)

　　在三基色設(shè)計(jì)應(yīng)用中通常是,通過(guò)調(diào)節(jié)設(shè)定LED 電流來(lái)達(dá)到白平衡和最大的期望亮度值.

　　我們一般將最簡(jiǎn)單、最優(yōu)化的配色方式作為,設(shè)計(jì)全彩顯示技術(shù)的顏色再現(xiàn)方法.白平衡是檢驗(yàn)顏色組成的重要標(biāo)志之一.三基色白光一般是紅綠藍(lán)三基色按亮度比例混合而成,當(dāng)光線中綠色的亮度為69%,紅色的亮度為21%,藍(lán)色的亮度為10%時(shí),混色后人眼感覺(jué)到的是純白色.早前的CRT電視機(jī)到現(xiàn)在的LCD液晶顯示都是這樣組成的,LED當(dāng)然將成熟的技術(shù)照搬.

　　LED 紅、綠、藍(lán)三色的色品坐標(biāo)因工藝過(guò)程等原因無(wú)法達(dá)到全色譜的效果,而控制原色包括有偏差的原色的亮度得到白色光,稱為配色.當(dāng)為全彩色LED 顯示屏進(jìn)行配色前,為了達(dá)到最佳亮度和最低的成本,應(yīng)盡量選擇三原色發(fā)光強(qiáng)度成大致為3:6:1 比例的LED 器件組成像素.白平衡要求三種原色在相同的調(diào)配值下合成的仍舊為純正的白色.單就LED來(lái)說(shuō)是很難實(shí)現(xiàn),為了解決此類問(wèn)題,一般IC都會(huì)設(shè)計(jì)設(shè)置電流大小的功能,便于不同批次LED都可以達(dá)到同樣的白光效果.

　　我們一般把可以合成的顏色叫做,原色;在應(yīng)用中的紅、綠、藍(lán)三色叫做,基色.色度圖中的三個(gè)頂點(diǎn)為理想的原色波長(zhǎng).如果原色有偏差,則可合成顏色的區(qū)域會(huì)減小,光譜表中的三角形會(huì)縮小,從視覺(jué)角度來(lái)看,色彩不僅會(huì)有偏差,豐富程度減少,見(jiàn)下圖.

　　LED 發(fā)出的紅、綠、藍(lán)光線根據(jù)其不同波長(zhǎng)特性可大致分為紫紅、純紅、橙紅、橙、橙黃、黃、黃綠、純綠、翠綠、藍(lán)綠、純藍(lán)、藍(lán)紫等,橙紅、黃綠、藍(lán)紫色較純紅、純綠、純藍(lán)價(jià)格上便宜很多.三個(gè)原色中綠色最為重要,因?yàn)榫G色占據(jù)了白色中69%的亮度,且處于色彩橫向排列表的中心.因此在權(quán)衡顏色的純度和價(jià)格兩者之間的關(guān)系時(shí),綠色是著重考慮的對(duì)象.

　　三基色PWM調(diào)光

　　PWM Dimming (脈寬調(diào)制),是LED最佳的灰度調(diào)節(jié)方式.PWM說(shuō)的容易理解些,就是控制LED開(kāi)和關(guān)的時(shí)間比例,將開(kāi)和關(guān)的時(shí)間比例劃分為若干等級(jí),LED就會(huì)顯示出相應(yīng)數(shù)量的灰階.

　　PWM頻率:剛才說(shuō)了PWM就是打開(kāi)和關(guān)閉LED的時(shí)間比例實(shí)現(xiàn)的,但是開(kāi)關(guān)次數(shù)不能使太低,最起碼要欺騙過(guò)眼睛.借鑒電視機(jī)的經(jīng)驗(yàn)一般大于100Hz,有些LED顯示屏?xí)艿綌z像機(jī)的拍攝,有條件的建議設(shè)計(jì)在300-500Hz較為合理.

　　在三基色設(shè)計(jì)應(yīng)用中通常是,通過(guò)調(diào)節(jié)LED電流來(lái)達(dá)到白平衡和最大的期望亮度,通過(guò)控制PWM來(lái)實(shí)現(xiàn)灰階等級(jí).LED領(lǐng)域灰度等級(jí)數(shù)目分別有7色、8級(jí)、16級(jí)、32級(jí)、64級(jí)、128級(jí)、256級(jí)、512級(jí)等幾種方式.也可以是不同的數(shù)量級(jí),這些數(shù)量等級(jí)主要是便于數(shù)字線路數(shù)據(jù)處理而已.比如非要?jiǎng)澐譃?00級(jí),那也是可以的.

　　三基色的灰度等級(jí)乘積,是產(chǎn)品理論可以再現(xiàn)的顏色數(shù)量,通常我們說(shuō)多少種顏色.例如:單色是256色,紅256(級(jí))×綠256(級(jí))×藍(lán)256(級(jí))= 16777216(16KK種顏色).

　　單色256級(jí)灰度已經(jīng)完全滿足眼睛的色域需要,目前的LCD液晶顯示器就是這樣,也是目前IC支持最多的灰階之一.因LED色差較大有使用512級(jí)灰度,實(shí)際使用矯正后的部分灰度顯示.512灰階比較有代表性的IC有,MBI5030、TLC5940、DM137、DM133、DM412等.點(diǎn)校正的設(shè)計(jì)方法.這個(gè)方法用來(lái)在大型顯示器中校準(zhǔn)每個(gè)象素.校準(zhǔn)完成后,或者說(shuō)完成點(diǎn)校正之后,當(dāng)顯示器調(diào)整到某個(gè)特定亮度時(shí),每個(gè)象素都能提供一樣的亮度等級(jí).

　　其它低灰階等級(jí),可以在設(shè)計(jì)時(shí)按需要不同選擇.比如在商業(yè)裝飾照明上面32級(jí)就夠了,出文字符號(hào)等會(huì)更低.單色照明亮度調(diào)整16級(jí)即可滿足要求.

　　通用型驅(qū)動(dòng)方式-74HC595

　　74HC595通用邏輯器件,在數(shù)字線路上面一直扮演著重要的角色,在LED前階段沒(méi)有很好的IC支持時(shí),74HC595串行數(shù)據(jù)傳輸在LED上得到了應(yīng)用.在目前的產(chǎn)品設(shè)計(jì)中還是有許多廠家使用.實(shí)際優(yōu)勢(shì)并不明顯,74HC595是解決了數(shù)據(jù)級(jí)聯(lián)傳輸問(wèn)題,但是IC并不恒流,一般是靠電阻限流或橋接小電流線路解決.長(zhǎng)距離壓差問(wèn)題,恒流顯得非常重要,恒流誤差也會(huì)較大的影響高灰度表現(xiàn).輸出驅(qū)動(dòng)訊號(hào)是類似PWM信號(hào),灰度是控制器產(chǎn)生的,要是設(shè)計(jì)較大的項(xiàng)目,就需要較快的傳輸速度和刷新率,所以對(duì)控制器和線路級(jí)聯(lián)要求相對(duì)較高.

　　目前使用74HC595并不節(jié)省成本.一是,時(shí)鐘、鎖存、灰度是并行傳輸,需要74HC245配合,這也是成本;二是,大數(shù)據(jù)量的傳輸速度會(huì)增加線路成本和控制器成本,開(kāi)發(fā)難度高.總之,74HC595是借到LED領(lǐng)域使用的,利用三位顯示RGB,閑置五位,一定會(huì)被專用IC所取代.已經(jīng)使用習(xí)慣了,使用在要求不高的場(chǎng)合還是可以的,新上項(xiàng)目就不建議大家再使用.

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　　WS2703 芯片是專門為L(zhǎng)ED 驅(qū)動(dòng)應(yīng)用設(shè)計(jì)的芯片,可以應(yīng)用于LED 顯示系統(tǒng),特比適合多離散點(diǎn)的級(jí)連應(yīng)用.WS2703 提供了3 個(gè)恒定電流驅(qū)動(dòng)輸出,驅(qū)動(dòng)電流最大為50mA.WS2703 芯片包括串行移位寄存器和輸出寄存器.經(jīng)串行移位寄存器,串移輸入轉(zhuǎn)為3bit 并行輸出,并把該輸出作為輸出寄存器的輸入.串移寄存器和輸出寄存器由不同的時(shí)鐘信號(hào)控制,并且都是在時(shí)鐘信號(hào)的上升沿有效.WS2703 將控制信號(hào)驅(qū)動(dòng)后輸出,該輸出可作為后級(jí)電路的輸入信號(hào).

　　恒流驅(qū)動(dòng)設(shè)置

　　在WS2703中,各通道的通過(guò)的恒定電流可由與該通道電流反饋pin端所接的反饋電阻來(lái)設(shè)定,

　　恒壓驅(qū)動(dòng)

　　WS2703提供恒定電壓驅(qū)動(dòng)模式驅(qū)動(dòng)LED,在該模式下,WS2703兼容ZQL9712.該模式(POL=高電平或者懸空),適用于驅(qū)動(dòng)電流不大于50mA的情況.將Fig5中的RXFB設(shè)置為0,即直接將XFB短接到地, WS2703即可工作在該模式下.

　　外掛恒流驅(qū)動(dòng)模式

　　WS2703的外掛恒流驅(qū)動(dòng)模式使得其能夠以極低的成本串聯(lián)驅(qū)動(dòng)多個(gè)LED,該模式下,POL=高電平或懸空。

　　在設(shè)計(jì)中往往我們希望IC耐壓越高越好,但是這樣會(huì)和成本發(fā)生沖突.為了我們的設(shè)計(jì)利益最大化,最佳的方式是低壓制成設(shè)計(jì),在需要較高的耐壓時(shí)增加三極管鉗位.這樣可以隨設(shè)計(jì)不同選擇最佳的鉗位方式,設(shè)計(jì)成本也得到了充分的考慮.見(jiàn)下圖:

　　級(jí)聯(lián)信號(hào)的驅(qū)動(dòng)和連接

　　為了實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離的級(jí)聯(lián)信號(hào)傳輸, WS2703在SDO和CKO數(shù)據(jù)時(shí)鐘輸出端口集成了具有強(qiáng)驅(qū)動(dòng)能力的推挽輸出電路,在2MHz的時(shí)鐘頻率下能夠?qū)崿F(xiàn)6米的驅(qū)動(dòng)距離.

　　為了防止傳輸數(shù)據(jù)和時(shí)鐘信號(hào)在傳輸線中反射形成駐波,需要在信號(hào)的輸入輸出端傳接一個(gè)50Ω的電阻.

　　點(diǎn)晶科技-DM412

　　DM412在其它地方也有介紹過(guò),這次要再重提下,主要是這顆IC還是有很多其它IC不可替代的地方. 目前是唯一一款可以支持16位灰度調(diào)節(jié)的三位移位LED恒流IC.每路輸出高達(dá)16比特(65536級(jí))灰階的可調(diào)線性電流,單路電流在200mA以內(nèi);每路可單獨(dú)設(shè)置電流;內(nèi)置PWM功能;數(shù)據(jù)、時(shí)鐘和鎖存訊號(hào)輸出端均內(nèi)建緩沖器,支持長(zhǎng)串接應(yīng)用.高灰階在設(shè)計(jì)需要灰階矯正的產(chǎn)品中,這樣可以通過(guò)軟體矯正燈點(diǎn)色差技術(shù)應(yīng)用.

　　DM412開(kāi)路偵測(cè)功能:

　　DM412 提供實(shí)時(shí)的LED 開(kāi)路檢測(cè)功能,無(wú)須搭配額外的組件或芯片設(shè)計(jì).當(dāng)輸出電流導(dǎo)通而輸出電壓小于0.3V 時(shí),判定為L(zhǎng)ED 開(kāi)路故障.當(dāng)鎖存信號(hào)激活時(shí),每個(gè)通道的偵測(cè)結(jié)果會(huì)被寫入相對(duì)應(yīng)移位寄存器中之每字節(jié)最后一比特位置上按R[0], G[0], B[0].開(kāi)路偵測(cè)結(jié)果可以從串行輸出端口讀回.當(dāng)相對(duì)應(yīng)位置之偵測(cè)數(shù)據(jù)為”1”表示該通道正常,若為”0”則表示該通道開(kāi)路.為確使LED 開(kāi)路偵測(cè)功能在良好的條件下進(jìn)行,建議偵測(cè)時(shí)的影像數(shù)據(jù)(紅綠藍(lán)三色共48 比特)全填為1 以使通道設(shè)定為理想的導(dǎo)通狀態(tài).

　　使CKI 保持在高電位,并于其間送入8 個(gè)DAI 脈波即可成功啟動(dòng)自動(dòng)鎖存機(jī)制. LED 開(kāi)路偵測(cè)數(shù)據(jù)將從DAO 端口傳出. 自動(dòng)鎖存功能只在SDO =‘H’時(shí)有效. POL 與STB 或ISTB 皆互為獨(dú)立.POL 端的任何電位變化都會(huì)設(shè)置(POL = H-L)或重設(shè)(POL = L-H)PWM 輸出.

　　美信-MAX16824

　　Maxim推出MAX16824/MAX16825 3通道、高亮度LED (HB LED)驅(qū)動(dòng)器,具有6.5V至28V輸入電壓范圍.該系列器件具有三路36V額定、開(kāi)漏極、恒定電流吸入輸出能力,可向三串獨(dú)立的HB LED提供高達(dá)150mA的電流.為優(yōu)化設(shè)計(jì)靈活性,該系列IC可以獨(dú)立設(shè)定各個(gè)通道的LED電流.為實(shí)現(xiàn)這一功能,MAX16824提供三路PWM調(diào)光輸入,用于獨(dú)立控制各串LED的亮度,并切換各串LED的導(dǎo)通與關(guān)斷.而MAX16825則提供了3位透明鎖存器、3位移位寄存器以及2Mbps、4線串行接口.該串行接口使器件的所有輸出通道均可通過(guò)外部微控制器進(jìn)行控制;同時(shí)還可以級(jí)聯(lián)多片MAX16825驅(qū)動(dòng)器,實(shí)現(xiàn)協(xié)同工作.該系列靈活的LED驅(qū)動(dòng)器對(duì)于多種應(yīng)用,包括工業(yè)、建筑以及裝飾照明;室內(nèi)/室外LED視頻顯示器、汽車內(nèi)部照明以及LCD背光等應(yīng)用非常理想.

　　MAX16824/MAX16825內(nèi)置調(diào)整管,具有很低的壓差,因此省去了所需的外部功率晶體管.器件內(nèi)置的三路調(diào)整管可提供±5%精度的LED電流控制,確保優(yōu)異的亮度匹配,同時(shí)縮減了尺寸、降低了整個(gè)驅(qū)動(dòng)器方案的復(fù)雜度了成本.

　　MAX16824/MAX16825還可以提供一路+5V的穩(wěn)壓輸出,具有4mA的輸出電流驅(qū)動(dòng)能力,當(dāng)發(fā)生過(guò)熱時(shí)可提供熱關(guān)斷功能.兩個(gè)器件均采用熱增強(qiáng)型、4mm×4mm、16引腳TSSOP封裝,帶有裸焊盤.