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基于I2C接口的LED驅動器優勢探討

來源:網絡

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所屬頻道:新聞中心

關鍵詞: LED,LED驅動,LED產業

      LED無疑是當前最熱的一個應用,無論是手持設備、游戲機、霓虹燈、廣告牌等等,眩目的色彩及高質的光亮,總能第一時間吸引人的眼球。在當前眾多的LED控制器面前,如何選擇一款功能豐富且性價比又高的產品來迎合自己的設計,無疑是擺在每個設計師面前的問題。

      最簡單的LED驅動,我們可以用普通的I/O來實現。但I/O控制只能實現LED的ON與OFF,無法用來進行混光、閃爍等功能,而且每個LED都需要占用一個單獨的I/O資源,無疑性價比很低。我們也可以用專用的大電流LED控制器來設計,但昂貴的成本首先會成為問題,而且設計復雜,程度也會跟著各種干擾的出現相應地提高。基于這些,恩智浦(NXP)推出一系列使用I2C接口的LED驅動器,它可以通過I2C接口的兩根線,去同時控制從4個到24個不等LED的ON/OFF、閃爍及RGB混光。在混光方案里,每個LED都是由一個獨立的8bit/256階PWM來驅動。目前,通過芯片本身能驅動的每個LED電流范圍為25mA到100mA之間。當然,對于一些大電流的應用場合,我們只需用外加場效應管的方式來實現。

      這種基于I2C的LED控制方式,增加了設計的方便性與靈活性,而且也會減少在軟硬件方面的投入,使披著神秘面紗的LED對我們來講頓時顯得簡單和精彩。下面,我們將會以恩智浦LED驅動器PCA9633為例,通過幾個簡單的應用來全面闡述這種LED驅動器的優勢所在。

      PCA9633是四路LED驅動器,且每路可驅動最大25mA電流,并根據封裝的不同提供了可選的固定I2C地址和帶4位或7位硬件可編硬件地址(圖1)。

    基于I2C接口的LED驅動器優勢探討

    圖1 PCA9633引腳及內部結構示意圖

      從圖1我們可以看到,每一路LED都是由一個單獨的8bit/256階的PWM來控制,且由于PWM足夠快,使其理論上可以通過它所驅動的四個LED混出任意顏色的光。除了每一路單獨的PWM,PCA9633還提供了一個GroupPWM,通過它我們可以用來控制所調混色光的亮度及頻率,彌補了只調單個PWM不能實現的一些功能。那么PCA9633究竟如何來實現調光呢?秘密還是在PWM上面。如果不使用PWM,那么它只能完成開和關的動作;低速的PWM只能實現LED閃爍,并不足以達到混色的目的;高速的PWM就可以實現RGB混色;如果PWM速度可控,那么就可以實現閃爍和混色的雙重功能。而且通過可控的8bit/256階PWM,加大了色階提升了色彩的層次感(見圖2)。

    基于I2C接口的LED驅動器優勢探討

    圖2 混色原理

      知道了混色的原理,那么一個具體的色彩又是如何產生的呢?我們知道人眼對色彩的感知是各種色彩亮度均值的疊加,我們可以通過控制PCA9633每個PWM的占空比,去控制所驅動LED的亮度。根據三基色原理,如果我們驅動的是RGB(或者RGBA)LED,那么通過調節這三個LED的不同光亮,就可以得到所要的色彩。圖3是PCA9633控制RGB三個LED來調粉色光的例子。

    基于I2C接口的LED驅動器優勢探討

    圖3 PCA9633控制RGB三個LED來調粉色光

      通過以上的描述,我們基本知道了PCA9633的內部結構和驅動原理。下面我們將會以PCA9633固定I2C地址的幾個應用,來進一步理解這種LED控制器的優勢所在。

      第一個應用,我們將用PCA9633來控制亮度條。我們知道一般像亮度條這樣的應用,往往需要用到大量LED串聯來進行。如果用單個接口去控制每個LED,會使成本和軟件復雜度大大增加。而通過I2C,在硬件上只需要兩條控制線,在軟件上只需發一條字節命令,就可以輕松進行操控。除此之外,由于I2C器件地址的唯一性,可以按所驅動LED的數量使用幾個PCA9633來進行控制。如果實際應用中PCA9633本身的驅動電流不夠,只需在外圍加一個FET就可以輕松解決。另外,PCA9633獨有的GroupPWM使得控制整個亮度條的光強和閃爍變的得心應手。下面是其原理圖(見圖4),其中I2Cmaster由系統提供,可以是MCU,也可以是邏輯電路。

    基于I2C接口的LED驅動器優勢探討

    圖4 用PCA9633控制亮度調示意圖

      圖4中左半部為I2C的master,不作細述。右邊最上為LED限流電阻,通常LED的前向電壓為3V左右,根據不同的顏色和制造工藝會有一些差別。我們可以通過所需LED電流去計算這個限流電阻的值:R=(Vsupply-Vfsum)/If。如果所需的LED電流大于25mA,那么圖中所加的FET可以輕松解決這一問題。當我們外加了FET以后,只需把PCA9633的相應寄存器的OUTDRV設為高就可以了,以區別于它的默認值。現在我們可以看到用PCA9633去控制如此多的LED,原理圖相當簡潔,同樣在軟件設置寄存器上也同樣方便。PCA9633提供了簡易且完整的內部寄存器,例如LED輸出結構設置、節電模式設置、芯片使能模式設置、LED的輸出狀態設置,以及每個PWM和GroupPWM的控制寄存器設置等。除此之外,PCA9633還提供了一個寄存器設置遞增位,也就是說如果我們設置了這一位,那么我們可以通過一個指令序列來完成內部所有寄存器的順序配置,這在一些特定的應用中是非常有用的,能最大程度節省軟件和系統資源。下面,我們將通過另外一個例子來說明內部寄存器的設置。

      第二個例子是我們用PCA9633來完成呼吸燈的功能。雖然PCA9633內部不帶呼吸燈模塊,但我們可以通過一些簡單的寄存器設置來實現這個功能,這樣相比于專用的呼吸燈芯片在成本上無疑有很大的優勢。為了便于說明,我們只用PCA9633來控制一個LED的呼吸動作,原理圖很簡單,在此略去,通過控制這一個LED的漸亮與漸暗過程以達到呼吸的目的。要實現這個功能,PCA9633的獨立PWM將是最主要的因素。如前我們已經提到每個LED都是由一個8bit/256階PWM來控制,那么也就是說,每個燈有256段亮暗色階可調,可以完美實現呼吸功能。具體,我們通過控制PWM的占空比來完成。如果我們的LED是由PCA9633的PWM0來控制,那么PWM0的占空比將決定這個LED的亮度:Bright(dutycycle)=PWM0[7:0]/256。撐握了這一原則,我們就可以通過I2C往PCA9633的寄存器上寫點什么了:

      START

      0xC4(往PCA9633I2C設備地址C4寫操作)

      00h=0x00;01h=0x00(設置LED的輸出結構為開漏)

      08h=0x02(設置LED由PWM0來控制)

      DELay1second(延時1秒進行呼吸)

      02h=bright;Forbright=0;bright《255;bright++(LED從0到255漸亮)

      Delay10ms(完成漸亮延時10毫秒繼續)

      02h=bright;Forbright=255;bright》0;bright--(LED從255到0漸暗)

      STOP

      到此,一個完整的呼吸過程就完成了,用幾個簡單的寄存器設置,就完成了看起來似乎只有用復雜系統或專用芯片才能做的事情。從以上兩個例子,我們可以看到用恩智浦的I2CLED驅動器,不論是硬件上還是軟件上都是非常簡單和易操作的,而且用此類器件所能實現的功能,絲毫不比一些系統和專有芯片遜色。

      綜上所述,恩智浦I2CLED驅動器提供了高性價比的LED設計方案,相比于用GPIO或專用LED驅動器,不僅節省了系統資源,也使設計的成本和復雜度大大減少,并可以有效提高設計的可靠性和驅動光的均勻性。此外,采用此類LED驅動器,可以很有效地幫助我們減少設計周期并提升設計靈活性。恩智浦目前可以向客戶提供從4路到24路不等的I2CLED驅動器,并已應用于汽車、家電、通信等各大領域。

    (審核編輯: 智匯李)

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