1、为 LED驱动电路提供额外的 PWM亮度控制摘要：Maxim Integrated Products 提供多款 LED (发光二极管)驱动芯片，具有 PWM (脉宽调制)亮度调节功能。这篇应用笔记介绍了几种为 LED驱动芯片添加额外的 PWM亮度调节功能的方法，并在几款固定电流 LED驱动器(内置或外置 PWM)上进行了验证。引言Maxim Integrated Products为很多应用领域提供 PWM (脉宽调制)亮度调节 LED (发光二极管)驱动器。典型应用中，通过串口向 LED驱动器发送指令改变相应 LED的寄存器值进行亮度调节。用于亮度控制的数据通常为 4位至 8位，对应于 16至
2、 256个亮度等级；有些 Maxim的 LED驱动器的亮度控制则通过调整漏极开路 LED端口的恒定吸入电流大小来实现。该应用笔记讨论如何在 LED恒流驱动器上加入 PWM亮度调节，通过控制 LED电源的通、断调节亮度。也可以通过刷新数据位仿真外部 PWM亮度控制。内置 PWM的 LED驱动器也可以通过外部 PWM实现亮度调节，只要 PWM信号的外部时钟可以同步。PWM仿真按照一定周期向 LED驱动器发送开/关控制信号，可以仿真 PWM亮度调节的效果。因为 LED数据接口的传输速率远远高于 PWM信号的频率，可以使用微控制器或 FPGA (现场可编程门阵列)很容易地仿真 PWM调光方式。PWM
3、开关频率、数据传输的时钟频率和 PWM亮度等级之间的关系如式 1所示：其中，fCLOCK 为数据接口的时钟频率，fPWM 为 PWM频率，nPORT 为控制端口数，nLEVEL为亮度等级。在该项技术中，PWM 仿真数据由控制器连续发送到 LED的每个端口，每个端口 1位。所有端口更新一次即为 PWM的一个台阶。从索引值 1开始重复仿真 PWM台阶，直至索引值等于设定的亮度等级，形成一个 PWM周期。例如，如果亮度等级为 256，每个端口刷新数据 256次构成一个 PWM周期。如果对应端口的亮度等级高于 PWM仿真台阶的索引值，数据为 1；否则数据为零。只要 LED保持点亮状态，则始终重复 PW
4、M仿真周期。该 PWM仿真控制可以由下列 C程序实现：PWM仿真技术适用于 MAX6968和 MAX6969。MAX6968 为 8端口 LED恒流驱动器，数据接口传输速率可达 25Mbps；MAX6969 是 MAX6968的 16端口版本。利用这一方法可以实现 16位或 65,536级亮度控制，MAX6968 的 PWM频率可以设置在 47Hz，MAX6969 的 PWM频率可以设置在 24Hz。如果只要求 12位的亮度控制分辨率，对应的 PWM频率可以分别设置在 752Hz和 376Hz。PWM 仿真技术无需对电路进行任何修改即可实现每个驱动口的亮度控制。LED电源的开关控制通过对 LE
5、D电源进行开、关控制也可以实现 LED的 PWM亮度调节。图 1所示电路利用PWM控制电源为 LED提供额外的亮度调节。微处理器向 LED驱动器发送 I?C命令产生 PWM信号，PWM 波形可以由软件控制。这种方式适用于具有恒流 LED端口，但没有内部亮度调节功能的 MAX6969，以及带有可调节恒流 LED端口的 MAX6956。该方案通过一个晶体管控制PWM信号的占空比，达到亮度调节的目的。LED 亮度可由微处理器通过 LED驱动器间接地控制，也可以由晶体管直接控制。以 MAX6956为例，恒流驱动与 PWM占空比调节相结合，无需任何其它电路介入。图 1.采用 PWM控制 LED电源实现亮
6、度调节图 2所示电路采用 MOSFET晶体管作为开关器件，有助于提高效率。图 2.功率 MOSFET作为开关器件利用下式计算外部晶体管的功耗：其中，tRISE 为晶体管的上升时间，tFALL 为晶体管的下降时间，T 为 PWM周期，tON/T为 PWM亮度等级，I 为 LED总电流，RON 为晶体管的导通电阻。式 2给出了晶体管开关损耗与导通损耗之和，开关损耗由开/关时间决定。当晶体管闭合或断开时，在晶体管两端电压从零上升到 VLED的过程中，或者是在反方向变化时，几乎所有电流流过晶体管。使用高速开关晶体管时，上升时间和下降时间通常为 50ns。对于周期(T)为 1/1000秒的 PWM、LE
7、D 电压(VLED)为 5.5V、LED 总驱动电流为 200mA时，晶体管总功耗为：若晶体管导通电阻为 0.1，则晶体管在最高亮度时的导通功耗为：从式 4可以看到，合理选择高速开关晶体管，能够将损耗降至最小。主控与各端口的分层控制有些 LED驱动器的 PWM亮度控制可以通过主控与各端口之间的分层控制实现。例如，MAX6964、MAX7313、MAX7314、MAX6965、MAX7315 和 MAX7316。如图 3所示，各端口的 PWM亮度控制波形重复多次。每重复一次相当于一次主机控制。由此，如果主机控制 15级亮度调节，则控制波形重复 15次。LED 驱动器各端口的控制信号决定了波形的占
8、空比。主控信号决定控制波形的重复次数。比如：某个端口的占空比为 3/16，主控设置为 4/15。波形的导通时间占整个周期的 3/16，波形在全部 15个时隙的前 4个时隙重复。图 3.主控和各端口的 PWM亮度分层控制遗憾的是，一个 MAX6964的主控信号不能与另一 MAX6964的端口信号相组合，以构成多芯片链路机制。因为，多个 MAX6964之间无法实现时钟同步；每个端口的 PWM控制导通时间不能与主控制器亮度调节信号的通/断时间窗口保持一致。如果时钟信号的边沿无法对齐则无法同步控制亮度，LED 会变暗。由于时钟之间的相位偏差，也会导致 LED周期性地闪烁(通、断)。分层 PWM亮度调节
9、方案可以通过 LED驱动器避免闪烁问题，适用于 MAX7302等具有时钟同步机制和较宽的时钟频率范围的器件。图 4给出了利用两片 MAX7302和开关晶体管实现 PWM亮度分层控制的典型电路。图 4.利用两片 MAX7302实现 PWM亮度分层控制其中一片 MAX7302的输出端口连接在 LED的阴极，每路输出端口作为一个独立的亮度控制端口。另一片 MAX7302的输出通过外部晶体管连接在 LED的阳极，这一 MAX7302作为亮度主控制器。每个端口的亮度控制由外部 1MHz高频时钟驱动，这是 MAX7302工作时钟的上限。例如，将一个端口的亮度等级设置为 15/33时，P2 亮度控制端口输出
10、作为主控制器的时钟输入。得到的主控制器等效时钟频率约为 1000000/33 = 30kHz。该应用实例中，每个亮度控制端口可以用于调节 RGB LED的颜色，而主控制器用来调节亮度。为 LED驱动电路提供额外的 PWM亮度控制类别：电源技术摘要：Maxim Integrated Products 提供多款 LED (发光二极管)驱动芯片，具有 PWM (脉宽调制)亮度调节功能。这篇应用笔记介绍了几种为 LED驱动芯片添加额外的 PWM亮度调节功能的方法，并在几款固定电流 LED驱动器(内置或外置 PWM)上进行了验证。引言Maxim Integrated Products为很多应用领域提供
11、PWM (脉宽调制)亮度调节 LED (发光二极管)驱动器。典型应用中，通过串口向 LED驱动器发送指令改变相应 LED的寄存器值进行亮度调节。用于亮度控制的数据通常为 4位至 8位，对应于 16至 256个亮度等级；有些 Maxim的 LED驱动器的亮度控制则通过调整漏极开路 LED端口的恒定吸入电流大小来实现。该应用笔记讨论如何在 LED恒流驱动器上加入 PWM亮度调节，通过控制 LED电源的通、断调节亮度。也可以通过刷新数据位仿真外部 PWM亮度控制。内置 PWM的 LED驱动器也可以通过外部 PWM实现亮度调节，只要 PWM信号的外部时钟可以同步。PWM仿真按照一定周期向 LED驱动器
12、发送开/关控制信号，可以仿真 PWM亮度调节的效果。因为 LED数据接口的传输速率远远高于 PWM信号的频率，可以使用微控制器或 FPGA (现场可编程门阵列)很容易地仿真 PWM调光方式。PWM 开关频率、数据传输的时钟频率和 PWM亮度等级之间的关系如式 1所示：其中，fCLOCK 为数据接口的时钟频率，fPWM 为 PWM频率，nPORT 为控制端口数，nLEVEL为亮度等级。在该项技术中，PWM 仿真数据由控制器连续发送到 LED的每个端口，每个端口 1位。所有端口更新一次即为 PWM的一个台阶。从索引值 1开始重复仿真 PWM台阶，直至索引值等于设定的亮度等级，形成一个 PWM周期。
13、例如，如果亮度等级为 256，每个端口刷新数据 256次构成一个 PWM周期。如果对应端口的亮度等级高于 PWM仿真台阶的索引值，数据为 1；否则数据为零。只要 LED保持点亮状态，则始终重复 PWM仿真周期。该 PWM仿真控制可以由下列 C程序实现：PWM仿真技术适用于 MAX6968和 MAX6969。MAX6968 为 8端口 LED恒流驱动器，数据接口传输速率可达 25Mbps；MAX6969 是 MAX6968的 16端口版本。利用这一方法可以实现 16位或 65,536级亮度控制，MAX6968 的 PWM频率可以设置在 47Hz，MAX6969 的 PWM频率可以设置在 24Hz
14、。如果只要求 12位的亮度控制分辨率，对应的 PWM频率可以分别设置在 752Hz和 376Hz。PWM 仿真技术无需对电路进行任何修改即可实现每个驱动口的亮度控制。LED电源的开关控制通过对 LED电源进行开、关控制也可以实现 LED的 PWM亮度调节。图 1所示电路利用PWM控制电源为 LED提供额外的亮度调节。微处理器向 LED驱动器发送 I?C命令产生 PWM信号，PWM 波形可以由软件控制。这种方式适用于具有恒流 LED端口，但没有内部亮度调节功能的 MAX6969，以及带有可调节恒流 LED端口的 MAX6956。该方案通过一个晶体管控制PWM信号的占空比，达到亮度调节的目的。LE
15、D 亮度可由微处理器通过 LED驱动器间接地控制，也可以由晶体管直接控制。以 MAX6956为例，恒流驱动与 PWM占空比调节相结合，无需任何其它电路介入。图 1.采用 PWM控制 LED电源实现亮度调节图 2所示电路采用 MOSFET晶体管作为开关器件，有助于提高效率。图 2.功率 MOSFET作为开关器件利用下式计算外部晶体管的功耗：其中，tRISE 为晶体管的上升时间，tFALL 为晶体管的下降时间，T 为 PWM周期，tON/T为 PWM亮度等级，I 为 LED总电流，RON 为晶体管的导通电阻。式 2给出了晶体管开关损耗与导通损耗之和，开关损耗由开/关时间决定。当晶体管闭合或断开时，
16、在晶体管两端电压从零上升到 VLED的过程中，或者是在反方向变化时，几乎所有电流流过晶体管。使用高速开关晶体管时，上升时间和下降时间通常为 50ns。对于周期(T)为 1/1000秒的 PWM、LED 电压(VLED)为 5.5V、LED 总驱动电流为 200mA时，晶体管总功耗为：若晶体管导通电阻为 0.1，则晶体管在最高亮度时的导通功耗为：从式 4可以看到，合理选择高速开关晶体管，能够将损耗降至最小。主控与各端口的分层控制有些 LED驱动器的 PWM亮度控制可以通过主控与各端口之间的分层控制实现。例如，MAX6964、MAX7313、MAX7314、MAX6965、MAX7315 和 MA
17、X7316。如图 3所示，各端口的 PWM亮度控制波形重复多次。每重复一次相当于一次主机控制。由此，如果主机控制 15级亮度调节，则控制波形重复 15次。LED 驱动器各端口的控制信号决定了波形的占空比。主控信号决定控制波形的重复次数。比如：某个端口的占空比为 3/16，主控设置为 4/15。波形的导通时间占整个周期的 3/16，波形在全部 15个时隙的前 4个时隙重复。图 3.主控和各端口的 PWM亮度分层控制遗憾的是，一个 MAX6964的主控信号不能与另一 MAX6964的端口信号相组合，以构成多芯片链路机制。因为，多个 MAX6964之间无法实现时钟同步；每个端口的 PWM控制导通时间
18、不能与主控制器亮度调节信号的通/断时间窗口保持一致。如果时钟信号的边沿无法对齐则无法同步控制亮度，LED 会变暗。由于时钟之间的相位偏差，也会导致 LED周期性地闪烁(通、断)。分层 PWM亮度调节方案可以通过 LED驱动器避免闪烁问题，适用于 MAX7302等具有时钟同步机制和较宽的时钟频率范围的器件。图 4给出了利用两片 MAX7302和开关晶体管实现 PWM亮度分层控制的典型电路。图 4.利用两片 MAX7302实现 PWM亮度分层控制其中一片 MAX7302的输出端口连接在 LED的阴极，每路输出端口作为一个独立的亮度控制端口。另一片 MAX7302的输出通过外部晶体管连接在 LED的阳极，这一 MAX7302作为亮度主控制器。每个端口的亮度控制由外部 1MHz高频时钟驱动，这是 MAX7302工作时钟的上限。例如，将一个端口的亮度等级设置为 15/33时，P2 亮度控制端口输出作为主控制器的时钟输入。得到的主控制器等效时钟频率约为 1000000/33 = 30kHz。该应用实例中，每个亮度控制端口可以用于调节 RGB LED的颜色，而主控制器用来调节亮度。
