矩陣LED調(diào)光器可在RGBW LED中實(shí)現(xiàn)精確的色彩控制和圖案制作

RGB LED 用于需要高效、明亮輸出的投影儀、建筑、顯示器、舞臺和汽車照明系統(tǒng)。為了從 RGB LED 產(chǎn)生可預(yù)測的顏色，其每個組件 LED（紅色、綠色和藍(lán)色）都需要單獨(dú)、精確的調(diào)光控制。高端系統(tǒng)可以使用光反饋回路，允許微控制器調(diào)整LED以提高顏色精度。將白色 LED 添加到 RGB LED 以產(chǎn)生 RGBW LED，從而擴(kuò)展了顏色系統(tǒng)中可用的色調(diào)、飽和度和亮度值。每個 RGBW LED 都需要對四個分量 LED 進(jìn)行精確調(diào)光。兩個 RGBW LED 需要八個“通道”。

驅(qū)動和調(diào)暗 RGBW LED 的一種方法是使用四個獨(dú)立的 LED 驅(qū)動器，每種顏色（R、G、B 和 W）一個。在這樣的系統(tǒng)中，每個單獨(dú)的LED或燈串的LED電流或PWM調(diào)光由單獨(dú)的驅(qū)動器和控制信號驅(qū)動。但是，在此解決方案中，LED驅(qū)動器的數(shù)量隨著RGBW LED的數(shù)量而迅速增加。任何具有大量RGBW LED的照明系統(tǒng)都需要大量的驅(qū)動器，并將控制信號同步到這些驅(qū)動器。

一種更簡單（也更優(yōu)雅）的方法是使用單個驅(qū)動器/轉(zhuǎn)換器以固定電流驅(qū)動所有LED，同時使用并聯(lián)功率MOSFET矩陣對單個LED進(jìn)行PWM調(diào)暗以進(jìn)行亮度控制。這是LCD顯示器中晶體管的模擬等效物，其中允許開關(guān)數(shù)量成倍增加，同時控制控制器的數(shù)量。此外，用于控制調(diào)光矩陣LED的單個通信總線使RGBW混色LED系統(tǒng)相對容易生產(chǎn)，同時提供寬色域。

LT3965矩陣LED調(diào)光器可實(shí)現(xiàn)這種設(shè)計(jì)，如圖1所示。每個 LT3965 8 開關(guān)矩陣調(diào)光器能夠與兩個 RGBW LED 正好配對，從而允許在 0% 和 100% 亮度之間以 1/256 的 PWM 步長控制每個 LED 的單獨(dú)亮度（紅色、綠色、藍(lán)色和白色）。雙線 I2C 串行命令為所有八個通道提供顏色和亮度控制。我2LT3965 的 C 串行代碼確定所有 8 個 LED 的亮度狀態(tài)，并可在發(fā)生故障時檢查 LED 開路和短路。

圖1.LT3965 矩陣 LED 調(diào)光器與 LT3952 升壓-降壓型 LED 驅(qū)動器配合使用，用于控制兩個 500mA RGBW LED 上的單個顏色，以實(shí)現(xiàn)串行控制的顏色和圖案。

矩陣式 LED 混色器，采用 LT3952 升壓-降壓轉(zhuǎn)換器

矩陣調(diào)光器需要一個合適的 LED 驅(qū)動器，以便從各種輸入為八個 LED 串供電：標(biāo)準(zhǔn) 12V ±10%、9V–16V（自動）或 6V–8.4V（鋰離子）。其中一種解決方案是 LT3952 升壓-降壓型1LED 驅(qū)動器，可對輸入至 LED 電壓進(jìn)行升壓和降壓，同時提供低紋波輸入和輸出電流。由于其浮動輸出拓?fù)渲泻苌倩驔]有輸出電容，它可以對 LED 電壓的變化做出快速反應(yīng)，因?yàn)楦鱾€ LED 都經(jīng)過 PWM 調(diào)光以控制顏色和亮度（圖 2）。

圖2.RGBW 500mA LED 電流由 LT3965 矩陣調(diào)光器進(jìn)行 PWM 調(diào)光和相位處理，以創(chuàng)建顏色和圖案。LT?3952 升壓-降壓型轉(zhuǎn)換器 / LED 驅(qū)動器可在各個 LED 進(jìn)行 PWM 調(diào)光時輕松跟上 LED 電壓的快速變化。

圖 1 所示的 LT3952 500mA 升壓-降壓型 LED 驅(qū)動器與 LT3965 8 開關(guān)矩陣 LED 調(diào)光器和兩個 RGBW 500mA LED 配對。這種新型升壓-降壓拓?fù)淇稍?0V 至 8 個串聯(lián) LED 的整個范圍內(nèi)平穩(wěn)運(yùn)行，電壓范圍為 0V 至 25V。瞬時串聯(lián) LED 電壓變化，由矩陣調(diào)光器在任何給定時刻啟用和禁用的 LED 數(shù)量決定。此轉(zhuǎn)換器/拓?fù)涞?60V OUT 電壓（V 的總和在和 V發(fā)光二極管）和轉(zhuǎn)換器占空比的額定值為6V至20V的全輸入范圍和0V至25V的輸出范圍（LED串聯(lián)電壓），500mA。

這種升壓-降壓浮動輸出電壓拓?fù)淇膳c LT3965 矩陣調(diào)光器很好地配合使用。矩陣調(diào)光器通過并聯(lián)功率 MOSFET 分流 LED 來控制 LED 亮度。

LED 不需要接地。只要 V在LT3965 的引腳連接到 SKYHOOK（其至少比 LED 高 7.1V），因此所有并聯(lián) MOSFET 都能正常工作。SKYHOOK 可以使用開關(guān)轉(zhuǎn)換器的電荷泵創(chuàng)建，也可以為其提供比預(yù)期最高 LED 電壓至少高 7.1V 的穩(wěn)壓電源（在本例中為 20V V++在最大值加上最大 25V LED）。采用 3mm × 2mm DFN 的微型 LT8330 升壓轉(zhuǎn)換器是產(chǎn)生 SKYHOOK 的不錯選擇。

可選的外部時鐘器件用于以350kHz同步系統(tǒng)，適用于汽車環(huán)境，相對高效，并允許使用緊湊型組件。雖然該系統(tǒng)同樣可以在2MHz（高于AM頻段）下工作，但350kHz（低于AM頻段）使該升壓-降壓轉(zhuǎn)換器能夠在所有LED被矩陣調(diào)光器短路且LED串電壓降至330mΩ ? 500mA ? 8 = 1.3V時進(jìn)行調(diào)節(jié)，而無需跳脈沖。該頻率還支持高調(diào)光比，無可見的 LED 閃爍。

由于每個 RGBW LED 都設(shè)計(jì)為單點(diǎn)光源，因此紅光、綠光、藍(lán)光和白光組合在一起可產(chǎn)生多種顏色，并具有飽和度、色調(diào)和亮度控制。每個 LED 可以以 1/256 步長設(shè)置在零 （0/256） 和 100% （256/256） 之間。矩陣調(diào)光器可以使用單通道串行命令在有或沒有內(nèi)部淡入淡出功能的情況下改變PWM調(diào)光電平。

精確的 0–256 RGBW 色彩和亮度控制

RGBW LED 可以通過對單個組件紅色、綠色、藍(lán)色和白色 LED 進(jìn)行 PWM 調(diào)光來產(chǎn)生準(zhǔn)確的顏色和亮度。單獨(dú)的 PWM 亮度控制可以支持 256：1 或更高的調(diào)光比。PWM調(diào)光的替代方法是簡單地降低每個LED的驅(qū)動電流，但這種方法的精度會受到影響，只允許10：1的調(diào)光比，并且LED本身會產(chǎn)生顏色漂移。使用PWM調(diào)光的矩陣調(diào)光方法在顏色和亮度精度方面優(yōu)于驅(qū)動電流方案。

LED驅(qū)動器（500mA LED電流的來源）的帶寬和瞬態(tài)響應(yīng)會影響色彩精度。這款緊湊型升壓-降壓轉(zhuǎn)換器具有超過 10kHz 的交越頻率和很少或沒有輸出電容，可在矩陣調(diào)光器打開和關(guān)閉開關(guān)時對驅(qū)動 LED 數(shù)量的變化做出快速反應(yīng)。

為了說明這對精度的重要性，紅色、綠色和藍(lán)色LED在不同的PWM占空比下單獨(dú)運(yùn)行，并使用RGB光學(xué)傳感器測量光輸出。圖 3 中的結(jié)果顯示了從 4/256 到 256/256 的每種顏色的均勻斜率，低于該斜率的斜率略有變化。當(dāng)然，紅色、綠色和藍(lán)色 LED 的顏色并不完美，因此即使只有一個被驅(qū)動，其他頻段的一些顏色也會偷偷溜走?？傮w而言，這是一個高度精確的系統(tǒng)。

圖3.當(dāng)與圖 1 中的 LT3952 升壓-降壓型 LED 驅(qū)動器配對時，紅色、綠色、藍(lán)色和白色亮度控制與矩陣 LED 調(diào)光器控制的 0–256 （共 256 個）PWM 調(diào)光占空比的比較。

使用一個非常高帶寬 （>40kHz） 降壓型轉(zhuǎn)換器版本的 LT3952 LED 驅(qū)動器可將準(zhǔn)確度提高至 1/256，但這涉及增加另一個升壓型轉(zhuǎn)換器以產(chǎn)生一個穩(wěn)定的大于 30V 輸出電壓的費(fèi)用，或者具有一個高于 30V 的輸入電壓源。除非需要在低光下實(shí)現(xiàn)高精度，否則幾乎沒有理由通過增加一個額外的轉(zhuǎn)換器來放棄升壓降壓的多功能性、簡單性和緊湊的尺寸。

此處描述的矩陣變暗RGBW LED混色器系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)寬色域，如圖4所示。添加其他顏色（如琥珀色）可以擴(kuò)展色域。帶有琥珀色 LED 組件的 RGBWA LED）可以產(chǎn)生 RGBW LED 無法產(chǎn)生的深黃色和橙色。這些 LED 也可以使用矩陣調(diào)光器驅(qū)動，但矩陣調(diào)光器的八個通道與兩個 RGBW LED 匹配良好。

圖4.RGB LED 具有寬色域。添加白色是簡化特定顏色算法混合的一種方法。在某些混合方案中，白色用于改變飽和度，而紅色、綠色和藍(lán)色則設(shè)置色調(diào)。

LT3965 的 256 級調(diào)光方案可輕松轉(zhuǎn)換為典型的 RGB 繪畫程序和常見的顏色混合算法。例如，如果您打開一個標(biāo)準(zhǔn)的 PC 繪畫程序，您將看到使用 256 值 RGB 系統(tǒng)混合顏色。

例如，圖2中的LED電流波形從RGBW矩陣LED系統(tǒng)產(chǎn)生紫色光，該系統(tǒng)由基于PC的基本油漆程序控制。由于本文描述的設(shè)計(jì)產(chǎn)生精確的電流驅(qū)動和PWM控制，因此可以通過調(diào)整組件LED的占空比來預(yù)測RGBW LED進(jìn)行顏色校準(zhǔn)，從而輕松考慮LED亮度的固有變化。

LED 打開或熄滅的啟動順序

LT3965 矩陣調(diào)光器系統(tǒng)可設(shè)置為在所有 LED 打開或關(guān)閉時啟動。在所有 LED 關(guān)閉的情況下啟動允許它們?nèi)岷偷氐氲龌蛞?a target="_blank">編程的顏色和亮度啟動，例如亮度為 10% 的綠藍(lán)色。如果在串行通信開始告訴調(diào)光器該怎么做之前，所有LED都以全500mA電流啟動，則在串行通信開始之前可能會觀察到全亮的“白光”。

無論采用哪種啟動方法，LT3965 都應(yīng)在接收 I 之前上電2C 串行通信，或者在執(zhí)行上電復(fù)位 （POR） 時初始通信可能會丟失。當(dāng)EN/UVLO引叉超過1.2V門限時，就會發(fā)生POR。由于此電壓基于 SKYHOOK 至少比 LED 高 7.1V，因此在施加高 SKYHOOK 電壓（例如來自小型升壓穩(wěn)壓器的 55V）之后的任何時間都會發(fā)生這種情況，或者也可能在來自 LT3952 開關(guān)節(jié)點(diǎn)的電荷泵浦電壓足夠高以產(chǎn)生 SKYHOOK 之后發(fā)生。在充電泵浦 SKYHOOK 的情況下，LED 電流可能存在于充電泵浦 SKYHOOK 之前，因此 LED 在 LT3965 開關(guān)關(guān)閉 LED 之前亮起。對于希望 LED 打開全亮度以啟動的設(shè)計(jì)師來說，這是一個簡單的解決方案。+

要啟動 LED 關(guān)閉，在 LT3952 接通之前，SKYHOOK 必須處于一個高電壓狀態(tài)。如圖 6 所示，如果 PWM 引腳在啟動期間保持低電平，則 LT3952 將不會啟動，直到外部電源 （例如主微控制器） 命令它啟動。單片機(jī)可以發(fā)送I2一旦 SKYHOOK 存在，C 設(shè)置命令就會向 LT3965 發(fā)出，并在電流流向 LT3965 之前將其開關(guān)設(shè)置到 LED OFF 位置。然后，在建立之后，可以對 LT3952 PWM 置位，并且電流開始流過短路的 LT3965 開關(guān)，而 LED 則關(guān)閉。在此之后，可能會發(fā)生淡入淡出，或者 LT3965 調(diào)光器可以跳轉(zhuǎn)到特定的顏色或亮度。

圖6.使用此順序啟動矩陣 LED 調(diào)光器混色器，所有 LED 熄滅。

在復(fù)位時，必須再次將 LT3952 的 PWM 拉低以將其關(guān)斷并在 LED 關(guān)斷位置重新啟動。在圖1中，一個簡單的微功耗升壓（如LT8330）可以從6V–20V輸入提供55V電壓。微控制器通過置位 ALERT 標(biāo)志接收 LT3965 已上電并準(zhǔn)備接收串行通信的信號。在任何開關(guān)短路之前，通過LED的零電流顯示為開關(guān)兩端的零電壓 - 解釋為短路故障并報告為短路故障。只有在 LT3965 由 SKYHOOK 上電后，才會斷言該標(biāo)志。

結(jié)論

LT3965 矩陣 LED 調(diào)光器可與 LT3952 升壓-降壓型轉(zhuǎn)換器配對，以形成一個準(zhǔn)確顏色的 RGBW LED 顏色混合器系統(tǒng)。它可用于從 6V 至 20V 輸入以 500mA 電流和 350kHz 開關(guān)頻率驅(qū)動兩個 RGBW LED。這種多功能系統(tǒng)可以使用汽車電池、12V 電源或鋰離子電池供電。

正在申請專利的升壓-降壓 LED 驅(qū)動器拓?fù)涞目焖偎矐B(tài)響應(yīng)以及通過 256：1 I 實(shí)現(xiàn)的可預(yù)測調(diào)光控制可實(shí)現(xiàn)高色彩精度2C控制矩陣系統(tǒng)。它可以設(shè)置為在所有 LED 關(guān)閉的情況下啟動，并且可以淡入淡出以啟動或跳轉(zhuǎn)到特定顏色。雖然不是必需的，但可以添加光學(xué)反饋（通過微控制器）以提高色彩精度。

審核編輯：郭婷