1、TLC5941 恒流驱动1. TLC59411.1 芯片特性TLC5941共有 28个引脚，是一个 16通道的 LED恒流驱动器，能够同时驱动 16个 LED，每通道最大驱动能力 80mA，每个通道通过 12位亮度寄存器的值以 PWM方式进行 4096级亮度控制。另外，每个通道 LED的驱动电路由内部 6位的点校正寄存器的值进行 64级电源控制，而且驱动电流的最大值可通过片外电阻设定。TLC5941的所有内部数据寄存器，亮度寄存器，点校正寄存器和错误状态信息都是通过串行接口存取的，最大串行时钟速率为 30MHz。1.2 管脚功能图 1-TLC5941 引脚图MODE(模式信号) ：Mode=0
2、 是亮度信号输入模式，Mode=1 点校正信号输入模式。SCLK（串行时钟）：串行数据移入内部寄存器的时钟上，高电平采样。SOUT:串行数据输出，可以输出一内部的一些信息数据。SIN:串行数据输入，由 SCLK 控制时钟速率。XLAT：数据锁存，在 XLAT 的上升沿，如果 Mode=0，串行移位寄存器的数据锁存到亮度控制寄存器 ，控制亮度 PWM 输出，如果 Mode=1，串行移位寄存器的数据锁存到点校正控制寄存器，控制电流大小的输出。GSCLK：PWM 控制的参考时钟。BLANK：当 BLANK=1 时，关闭所以的输出管脚，即不输出电流，GS 计数器复位；当BLAN=0 时，输出电流由 P
3、WM 控制。XERR：错误输出，漏极开路，当有输出管脚有开路或者有 LED 有过热时，XERR 拉低。IREF：连接参考电阻，可以由此电阻控制最大输出电流。TEST：测试管脚，接 VCC。OUT0OUT15：恒流输出引脚。GAN：地脚。VCC：电源，3V5.5V 。2.工作原理每到一个 SCLK 的上升沿，则从 SIN 管脚琐存一个数据到输入串行移位寄存器，当所有数据都输入完了，XLAT 的高电平把所有输进来的数据导入到内部寄存器中。串行输入的数据是 96 位还是 192 位是由 MODE 来控制的，当 MODE=1 时，则是进入 DC 模式，即需要输入 6*16=96 个 bits，当 MO
4、DE=0 时，则是进入 GS 模式，即需要输入 12*16=192 个 bits。图 2-串行数据输入时序图灰度级 PWM 循环开始于 BLANK 的下降沿。当计数器计到 4097 时，则产生一个中断信号，使 BLANK 信号产生一个脉冲信号。其中 DC 的值控制恒流源恒流的值，即图 2 中 16 个 LED out 通道的高电平的值（电流大小） ，DC 为 6 位的，所以 I(out)=I(max)*DCn/63,DCn 为 063,n=0 to 15；而 GS 控制输出恒流时间的占空比，即在 4096 个时钟中，输出恒流的时间占 GS 数据个时钟，就可把亮度分为 4096 个灰度级。用公式
5、 Brightness in %=（GSn/4095 ）*100,其中 GSn 为 04095，n 表示16 个通道，取值为 015。SCLK 和 GSCLK 的最大频率为 30MHz，SCLK 上升沿采样。在 GS 模式下，当 XLAT 为高电平，则数据从输入移位寄存器琐存到 GS 寄存器中，在DC 模式下，当 XLAT 为高电平，则数据从输入移位寄存器琐存到 DC 寄存器中。当 XLAT为低电平，则在 GS 或者 DC 寄存器中的数据保持不变。3.硬件实现由 FPGA 来控制 TLC5941。其中的各种控制信号由 FPGA 内部逻辑产生。其中输入的 sys_clk 是 50M 的时钟信号，
6、输出的 GSCLK 是 5M，BLANK 信号如上图所示，即每 4096 个 GSCLK 产生一个 BLANK 脉冲。图 3-RTL 级视图图 3 中 data_gen 模块产生串行数据， led_top 模块把由 data_gen 产生的串行数据按照一定的时序要求发送给恒流芯片，来驱动 LED 灯。在芯片正常工作的情况下做一些测试。 4.芯片测试 验证性实验一：测试串行输入 DC 的值是否能相应改变各通道输出电流的值。图 4-原理图图中 R1=1.3K， R18=R19=22，由公式(1) 其中 V(EREF)=1.24V，R（IREF）就是原理图中的 R1，可以由此算出 Imax30.04
7、mA，(2)输出电流 I(out)由 Imax 和 DCn 的值决定。如当 DC= 6b111111 时，即 DCn=63 时，Iout=Imax=30mA,当 DC=6b011111 时，DC=31，Iout= 15mA 左右。这是理论值，下面就实际测试一下。测得的 R18 两端的电压波形如下图所示：图 5- DC=6b111111 时的电压波形通道 4 是电流流过 22前的电压，通道 3 是流过后的电压，它们的差值为第三个波形的数值，可以估计电压在 0.7V 左右。由此算出 Iout1=0.7V/2231.8mA 与 30.04mA 基本吻合。图 6-DC=6b011111 时的电压波形即
8、 DC=31,以同样的方法算出电阻两端的电压应该为 DC=63 时的一半左右，正如图中电压波形所示，此时电压正是 DC=63 时的一半。结论：DC 的值能决定输出各通道恒流电流值的大小。实验二：在 DC 不变，改变负载，测试电流是否恒流。在此实验一的基础上，在通道一上并联两个 LED 灯时，可以观察到电流没有变化，并联三个 LED 灯时电压形波也没有变化。当串联两个 LED 灯时，由于 LED 灯电压不够，使得LED 没有亮，虽然电阻两端电压有变化，但是压降很小，所以当加大 V(led)的电压时，使得两个 LED 都亮时，可以看到电流也是恒流的，即计算出来的电流值与由 DC 值计算出来的电流是
9、一样的。另外，在不同通道输入的 DC 值相同时，而串联的电阻值不一样时，计算出来的电流值是也是一样的。结论：改变负载，不会影响输出电流。实验三：当 DC 不变，改变 LED 灯的电压 V(led)，测试电流是否恒流。当改变 V(led)从 3V8V 的范围内，输出电流几乎不变，即与 DC 值计算出来的输出电流值一样；小于 3V 或者大于 8V 时，电流的大小就不是由 DC 值计算出来的电流大小，此时再变电压值时，电流会改变，即不再恒流。结论：改变电压，在一定范围内恒流。综上所述：芯片在一定条件下能够恒流。恒流条件包括最大输出电流必须大于 5mA 以上，输出电压在 2V 以上。其输出电流与输出电
10、压的关系如图 7 所示。图 7 输出电压与输出电流探索性实验：实验四： 测试能否提高 GS 值的刷新频率。根据数据手册上的时序图可知：每个通道更新 GS 数据输出的时间是由 BLANK 和GSCLK 来决定， GSCLK 的时钟能否从 4096 减少到 1024，相应的 BLANK 也相应地改变，观察芯片是否能正常工作。图 8 BLANK 与 GSCLK 时序由于在具体芯片应用中不需要太大的灰度级，而 GS 数据的刷新时间要求在 60us 左右，在时钟频度 25M 时，4096 个时钟则需要 164us 左右，所以刷新时间不能满足要求，故需要减少GSCLK 时钟为 1024 产生一个 BLAN
11、K 信号。图 9 是示波器显示的测试电阻上的电压波图。图 9 电压波形实验时，用到两个通道，第一个通道的 GS 数据为 1024，第二个通道的 GS 数据为512，可以观测到后者的占空比正好是前者的一半。GS 数据的刷新时间从图中也可以观察到是 40us。芯片也能正常工作，测试效果良好。结论：能够提高 GS 值的刷新频率。实验五：按照时序初始化完 GS 寄存器与 DC 寄存器后，如果不要求 GS 与 DC 再改变，在不再向寄存器中写入数据的情况下，测试其输出电流值与占空比能否保持正确。在下载完程序后，观察到 LED 已经点亮，而测试电流与占空比都正确的情况下，把其它信号线都接低电平，而只留 B
12、LANK 与 GSCLK 信号来控制，其电流输出不变。所以结论是GS 寄存器与 DC 寄存器在不掉电的情况下可以保持数据，控制电流的输出，而不需要重复向其写值。这样可以减少芯片的功耗。 实验六：并联多路 LED 灯，测试总电流是否为各路之和。图 10 并联电路图由于在实际应用中会用到大功率的 LED 灯，电流需要 250mA 左右，而此芯片单路最大电流是 80mA，所以需要并联几路同时向一个 LED 灯提供电流。此次实验单路最大电流设定在 63mA，需要提供 250mA 电流则需要 4 路通道，图 10 中的 R1 用于测试电流；D1 为功率为 1W，最大电流为 300mA 的 LED。在测试
13、过程中，4 路DC 值均设为最大，即 63mA，当 VCC_LED 为 3.3V 时，通过 R1 两端的电压差计算出总电流远远小于 250mA，当加大 VCC_LED 到 6V 左右则电流就会增加到 200 左右 mA，而且在6V 到 10V 之间恒流，芯片非常发热。结论：并联多路，总电流是为各路电流值之各。实验七：三路循环显示，通过程序来设计动态显示。主要设计思路是 RGB 三个 LED 灯，每一个 BLANK 只显示一路通道，即 RGB 三个灯中只有一路输出电流，这是通过每次写出 GS 的值不同来达到效果。测试图如图 11。图 11 三路循环显示电压波形图图 11 中，通道 1 是 BLANK 的电压波形，以下 3 个通道分别是三路波形。程序中的时钟是 25M，每路的 GS 设为 1023，即占空比为 100%。图中波形为低电平时，为实际电路中有电流输出的时间，即 LED 亮灯的时间。可以观察到在任意时间内只有一路灯点亮。当然还可以修改各路的占空比，图 12 即为三路占空比分别的 100%,50%和 25%的电压波形图。图 12 修改占空比后
