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矩阵式 LED 调光器助力实现色彩鲜艳亮丽的 LED 灯

作者:时间:2018-08-09来源:网络收藏

RGB LED 串用于投影仪、建筑、显示器、舞台和汽车照明系统,因为这类系统需要高效率、明亮的光输出。一个 RGB LED 串要产生预期的色彩,其中每个 LED (红、绿和蓝光) 都需要独立和准确的调光控制。高端系统可以使用一个光反馈环路,以使微控制器能够调节 RGB LED 串,提供准确的色彩。给 RGB LED 串增加一个白光 LED,形成一个 RGBW LED 串,就可以增加彩色照明系统可用的色彩、饱和度和亮度值。每个 RGBW LED 串中的 4 个 LED 都需要进行准确调光。两个 RGBW LED 串需要 8 个“通道”。

本文引用地址:http://www.eepw.com.cn/article/201808/386074.htm

驱动 RGBW LED 串以实现色彩和亮度控制的方式多种多样。一种驱动 RGBW LED 串并调节其亮度的方式是使用 4 个单独的 LED 驱动器,分别用于 4 种颜色 (R、G、B 和 W),如图 1a 所示。在采用这种方式的系统中,每个单独的 LED 或 LED 串的电流 (或称 PWM 调光) 是由单独的驱动器和控制信号驱动的。不过,在这类解决方案中,LED 驱动器的数量会随着 RGBW LED 串数量的增加而迅速增多。任何采用大量 RGBW LED 串的照明系统都需要大量驱动器,对这些驱动器的控制信号进行同步的工作量也很大。

一种简单得多 (也更便捷) 的方法是,用单个驱动器 / 转换器以固定电流驱动所有 LED,同时用一个并联功率 MOSFET 矩阵对各个 LED 进行 PWM 调光以实现亮度控制。如图 1b 所示的调光器和单个 LED 驱动器减小了图 1a 解决方案的电路尺寸。此外,用单条通信总线控制 LED 调光器使 RGBW LED 色彩混合系统相对简单和紧凑,同时驱动大电流 RGBW LED 串时,色彩和亮度控制也很准确。

图 1a

图 1b

图 1a 和 1b:(1a) 在大功率色彩混合应用中,8 个单独的 LED 驱动器和 PWM 信号可用来驱动两个 RGBW LED 串,或者 (1b) 可用具串行通信功能的单个升压-降压型 LED 驱动器和 LED 调光器实现小得多、也紧凑得多的解决方案。

LT3965 矩阵式 LED 调光器可实现这样的设计,如图 5 所示。每个LT3965 的 8 个开关矩阵式调光器可以与整整两个 RGBW LED 串配对使用,从而允许在零至 100% 亮度之间、以 1/256 的 PWM 步进单独控制每个 LED (红、绿、蓝和白光) 的亮度。两线 I2C 串行接口命令为所有 8 个通道提供色彩和亮度控制。提供给矩阵式 LED 调光器 IC 的 I2C 串行接口代码决定所有 8 个 LED 的亮度状态,并可以在发生故障的情况下,检查 LED 是否开路或短路。

既然 RGBW LED 串中的每个 LED 都设计成单点光源,那么红、绿、蓝和白光合起来就产生了多种多样的色彩,而且饱和度、色彩和亮度是可控的。凭借高速 LT3965 矩阵式调光器,可以在零 (0/265) 和 100% (256/256) 亮度之间、以 1/256 调光步进设定每个 LED 的亮度。

准确的 0 ~ 256 级RGBW 色彩及亮度控制

通过对 RGBW LED 串中的红、绿、蓝和白光 LED 单独进行 PWM 调光,RGBW LED 可以产生准确的色彩和亮度。单独进行的 PWM 亮度控制可支持 256:1 或更高的调光比。取代 PWM 调光的另一种方法是,简单地降低每个 LED 的驱动电流,但这种方法会影响准确度,因此仅允许 10:1 的调光比,而且这种方法导致 LED 本身产生色偏移。采用 PWM 调光的矩阵式调光方法与降低驱动电流的方法相比,前者的色彩及亮度准确度会更高。

LED 驱动器 (提供 500mA LED 电流) 的带宽和瞬态响应会影响色彩准确度。图 5 中紧凑的升压-降压型转换器的交叉频率高于 10kHz,输出电容器很小或没有输出电容器,随矩阵式调光器接通或断开其开关,该转换器可对所驱动 LED数量的变化迅速做出响应。

为了说明快速瞬态响应对准确度而言多么重要,我们以不同的 PWM 占空比单独运行红、绿和蓝光 LED,并用一个 RGB 光传感器测量这些 LED 的光输出。图 3 中的结果显示,在 4/256 至 256/256 范围内,每种颜色的斜率是一致的,在低于这个范围时斜率稍有变化。当然,红、绿和蓝光 LED 的色彩性能并不是完美无缺的,因此,甚至在仅驱动一种颜色的 LED 时,有些颜色还是会从其他频带上泄漏出来。不过,总的来看,这是一个高度准确的系统。

图 2:用 LT3965 矩阵式调光器对 500mA RGBW LED 串的电流进行 PWM 调光和调相,以产生各种色彩和照明图案。在对各个 LED 进行单独的 PWM 调光时,LT3952 升压-降压型转换器 / LED 驱动器非常容易跟上 LED 电压的迅速变化。

图 3:PWM 调光占空比在 0/256 – 256/256 之间变化时,对红、绿、蓝和白光亮度的控制情况。PWM 调光占空比由矩阵式 LED 调光器控制,该调光器与 LT3952 升压-降压型 LED 驱动器配对使用,如图 5 所示。

采用带宽非常大 (>40kHz) 的降压型转换器 LED 驱动器时,直至 1/256 PWM 调光范围的准确度都可改善,但是要这么做,或者需要增加另一个升压型转换器,以提供一个稳定和高于 30V 的输出电压,因而增加了成本,或者需要一个高于 30V 的输入电压源。除非在极低光输出时必须提供非常高的准确度,否则没什么理由额外增加一个转换器,而放弃图 5 中通用、简单和尺寸紧凑的升压-降压型转换器。

这里描述的矩阵式调光 RGBW LED 色彩混合器系统实现了非常宽的色域,如图 4 所示。增加额外的颜色,例如琥珀色,还可以进一步扩展色域。RGBWA LED 串 (包括一个琥珀光 LED) 可以产生 RGBW LED 串无法产生的深黄色和深橘黄色。这些 LED 也可以用矩阵式调光器驱动,不过与 8 通道矩阵式调光器很好匹配的是两个 RGBW LED。

图 4:RGB LED 串提供很宽的色域。简化色彩混合算法的方式之一是增加白光 LED。在有些混合方法中,白光 LED 用来改变饱和度,同时用红光、绿光和蓝光 LED 设定色彩。

LT3965 的 256 级调光方法非常容易对应于典型的 RGB 着色程序和常见的色彩混合算法。例如,如果打开一个标准的 PC 着色程序就会看到,色彩混合是通过 256 个值的 RGB 系统完成的,如图 6 所示。再比如,图 2 中的 LED 电流波形用一个 RGBW 矩阵式 LED 系统产生紫色光,而这个矩阵式 LED 系统是由基本 PC 着色程序控制的。由于本文描述的设计方案产生准确的电流驱动和 PWM 控制,因此可以通过调节各个 LED 的占空比,按照预期对RGBW LED串进行色彩校准,从而可简便地抵消固有的 LED 亮度变化。

图 5:LT3965 矩阵式 LED 调光器与 LT3952 升压-降压型 LED 驱动器一起使用,控制两个 500mA RGBW LED 串中各个 LED 的色彩,以串行通信方式控制色彩和照明图案。

(6a)

(6b)

(6c)

图 6:用标准 PC 色彩选择器可以选择色彩。矩阵式调光器使用的 256 个值 (0 - 256) 可以与典型 RGB 系统中使用的 0 – 255 对应。例如,RGB (128、10、128) 产生紫色光。如以上照片中所见,矩阵式调光器可以使一个真实的 RGBW LED 串产生预期色彩,从而简化照明设计师的工作。(6a) 选择一种颜色。(6b) 使 RGB 值与 LT3965 LED 矩阵式调光器的调光比相对应。(6c) 用 PC 设定调光比的值,之后可以看到结果。

采用升压-降压型驱动器的矩阵式 LED 色彩混合器

矩阵式调光器需要合适的 LED 驱动器,以能够用多种输入给 8 个 LED 组成的 LED 串供电,例如标准 12V ±10% 电源、9V 至 16V (汽车电池) 或 6V 至 8.4V (锂离子电池)。这类驱动器解决方案之一是 LT3952 升压-降压型 LED 驱动器,从输入至 LED,该解决方案既可升高也可降低电压,同时提供低纹波输入和输出电流。在该器件的浮置输出拓扑中,输出电容器很小或没有输出电容器,因此在以接通断开方式对各个 LED 进行 PWM 调光以控制色彩和亮度时,该器件能够快速响应 LED 电压的变化 (图 2)。

图 5 所示的 LT3952 500mA 升压-降压型 LED 驱动器与 8 开关矩阵式 LED 调光器 LT3965 以及两个 RGBW 500mA LED 串一起使用。当串联 LED 数量在 0 至 8 个范围内变化时,这种新的升压-降压型拓扑可以在 0V 至 25V 输出电压范围内顺畅地运行。串联 LED 的瞬时电压随时变化,怎样变化取决于,在任意给定瞬间,矩阵式调光器启动和禁止了哪些以及多少 LED。这个转换器 / 拓扑的 60V OUT 电压 (VIN 和 VLED 之和) 以及转换器占空比针对 6V 至 20V 的整个输入范围以及 0V 至 25V/500mA 的输出范围 (串联 LED 电压) 做出了规定。

矩阵式调光器用并联功率 MOSFET 对 LED 分流,以此控制 LED 亮度。无论是浮置输出升压-降压型 LED 驱动器还是矩阵式 LED 调光器,都不要求 LED 接地。只要 LT3965 的 VIN 引脚连至 SKYHOOK,所有并联 MOSFET 都可以正常工作,电压至少比 LED+ 高 7.1V。SKYHOOK 电压可以由开关转换器构成的充电泵产生,也可以由一个稳定的电源提供,当然该电源电压要至少比预期的 LED+ 最高电压高 7.1V (在这种情况下,为 20V VIN 最大值加上 25V LED 最大值)。采用 3mm x 2mm DFN 封装的纤巧 LT8330 升压型转换器产生 SKYHOOK 电压是个不错的选择。

一个可选外部时钟器件用来在 350kHz 时同步系统,这种方法适合汽车环境,因为效率相对较高,且允许使用紧凑型组件。尽管这个系统同样可以在 2MHz (高于 AM 频段) 上运行,但当矩阵式调光器使所有 LED 都短路,且 LED 串电压降至 330mΩ • 500mA • 8 = 1.3V 时,350kHz (低于 AM 频段) 使这个升压-降压型转换器无需采用脉冲跳跃模式,就能够执行调节功能。这个频率还支持高调光比而不会产生可见的 LED 闪烁。

LED 接通或断开时的启动顺序

矩阵式 LED 调光器系统可以设定以在所有 LED 都接通或断开时启动。如果在所有 LED 都断开时启动,那么这些 LED 的亮度就可以和缓地渐变,或者以设定的色彩和亮度启动,例如 10% 亮度的绿-蓝光。如果在串行通信系统发出命令指示调光器该做什么之前,所有 LED 都以 500mA 满标度电流启动,那么在串行通信启动之前,可能看到明亮的全“白色”光。

无论以哪种方式启动,LT3965 都应该在接收 I2C 串行通信命令之前加电,否则当该器件进行加电复位 (POR) 时,初始通信命令可能丢失。当 EN/UVLO 引脚向上穿过 1.2V 门限时,就会发生 POR。既然这个电压以 SKYHOOK 至少比 LED+ 高 7.1V 这一事实为基础,那么任何时候只要加上高的 SKYHOOK 电压后就能发生,例如用一个小型升压型稳压器提供 55V,或者来自 LT3952 开关节点的充电泵电压足够高以提供 SKYHOOK 电压后也会发生。在由充电泵提供 SKYHOOK 电压的情况下,充电泵提供 SKYHOOK 电压之前,也许存在 LED 电流,因此在 LT3965 的开关断开 LED 之前,LED 会发光。这是一种简单的解决方案,设计师想让 LED 以最大亮度接通启动时,可以使用这种方案。

要让 LED 开始工作,必须在 LT3952 接通之前存在高的 SKYHOOK 电压。如图 6 所示,如果 PWM 引脚在启动时保持低电平,那么 LT3952 就不启动,直到外部信号命令该器件启动为止,例如由主微控制器发来这样的信号。一旦 SKYHOOK 电压出现,该微控制器就可以向 LT3965 发送 I2C 设置命令,将 LT3965 的开关设置到 LED OFF 位置,之后电流将流向这些开关。设置完成后,就可以确认 LT3952 PWM,然后电流开始流经已经短路的 LT3965 开关,LED 则处于关断状态。之后,出现亮度渐变的启动,或者 LT3965 调光器可能跃变至特定色彩或亮度。

一发生复位,LT3952 的 PWM 必须再次拉低以将其关断,并在 LED 关断位置重新启动。在图 5 所示情况下,LT8330 这类简单的微功率升压型转换器可在 6V 至 20V 输入电压范围内提供 55V 输出。通过确认 ALERT 标记,微控制器接收表示 LT3965 已加电并准备好接收串行通信命令的信号。在任何开关被短路之前,由于开关两端电压为零,所以通过 LED 的电流为零,这种状态被解释和报告为短路故障。只有在通过 SKYHOOK 给 LT3965 加电后,才会确认这个标记。

结论

LT3965 矩阵式 LED 调光器可以与升压-降压型 LED 驱动器配对使用,以构成一个色彩准确的 RGBW LED 色彩混合器系统。LT3952 可用来在 6V 至 20V 输入范围内以 350kHz 开关频率和 500mA 电流驱动两个 RGBW LED 串。这种通用系统可由汽车电池、12V 电源或锂离子电池供电。之所以能够实现很高的色彩准确度,是因为正在申请专利的升压-降压型 LED 驱动器拓扑能够实现快速瞬态响应,并能够通过 256:1 的 I2C 控制矩阵系统实现预期的调光控制。LT3965 可设定为启动时,所有 LED 都断开,并以渐变亮度启动,或直接跳跃至特定色彩。可以增加光反馈 (通过微控制器) 以提高色彩准确度,尽管不是必须这么做。



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