16通道恒流LED驱动芯片的PWM调光的技术发展

1、16通道恒流LED驱动芯片的PWM调光的技术发展0 引 言无论作为何种光源，能够进行调光都是一种很重要的功能。这不仅仅是为了使人们在家居环境中更加舒适，而且在今天来说，减少不必要的电光线，以进一步实现节能减排的目的是更加重要的一件事【1】。而且对于LED光源来说，调光也是比其他荧光灯、节能灯、高压钠灯等更容易实现，所以更应该在各种类型的LED灯具中加上调光的功能【2】。目前对LED进行调光大致有两种方法：一个是利用模拟电路进行调光，这种方法是线性改变流过LED的电流；二是数字调光，即利用PWM控制方法，使用开关电路来改变流过LED的驱动电流的占空比从而改变流过LED的电流的平均值【3】。虽然线

2、性调节的方法比较简单，易于实现，但是它效率较低，并且会引起光谱由白光向黄光进行色彩的偏移。虽然偏移比较轻微，但是在一些敏感的LED应用中有可能会被检测出来。脉宽调制（PWM Dimming）是目前比较常用的方法，以其控制简单，灵活和动态响应好的优点成为了LED调光的最佳方式。PWM灰度控制方法是通过改变流过每个通道的LED的驱动电流的占空比来改变流过LED的平均电流的大小，从而使LED呈现出不同的发光强度。由于在所有的脉冲周期内，流过LED的最大正向电流不变，因而不会发生光谱的偏移，同时，为了保证人眼感受不到电流开关过程中导致的LED闪烁，PWM信号频率不得低于 100 Hz。1 16通道恒流

3、LED驱动芯片本文设计的16通道恒流LED驱动芯片的整体框架如图1所示。该芯片工作电压为3.35.5 V，带隙基准电压源提供了1.25 V的基准电压输出，经过分压产生另外的基准电压用于过温保护和电流调节。PWM灰度调节的功能是通过128 b移位寄存器、锁存器、计数器以及数据比较器来实现的，通过移位寄存器把串行输入的数据转换成并行输出的数据，并把数据锁存到16个锁存器中，每个锁存器是由8 b数据位构成，将这16个数据和计数器的数据进行256次比较，这样就会产生不同占空比的输出信号，就是所需要的灰度控制数据。将这个输出的控制信号提供给16路输出端，通过输出端电流的打开和关断，就会实现256级电流灰

4、度调节。外接电阻从1.8316.4 kΩ对输出电流可调，每个输出端口提供545 mA的恒定电流，可以控制LED的发光亮度。因此，流过LED的电流实际是输出端电流的最大值与灰度控制信号的占空比之积。输出级采用高精度电流镜，以确保精确的输出电流匹配度。输出耐压为20 V，所以每路输出端可串接多个LED。具有25 MHz的高速数据时钟，以及1.2 MHz内部振荡器（用于PWM）。图1 16通道恒流LED驱动芯片整体框架图2 PWM调光功能的设计由图1看出，该PWM模块由128 b移位寄存器，8 b数据锁存器，8 b计数器，以及8 b灰度数据比较器组成。模块整体上是串行输入并行输出的结构，

5、包括两个输入端口，分别是：CKI时钟信号输入端口，SDI串行输入信号端口，两个输出端口，分别是： CKO时钟信号输出端口，SDO串行输出信号端口（在设计中考虑到噪声信号的问题， 在输入端口和后级电路之间加入了施密特触发器，用来过滤噪声）。其工作过程为：在同步时钟 CKI 的作用下，外部数据逐一进入移位寄存器，待 128个时钟后，系统输出一个高电平信号，将移位寄存器中的数据输入到锁存器，此时，锁存器数据与计数器数据通过8 b灰度数据比较器进行256次数据比较，从而输出具有一定占空比的灰度数据控制信号。工作流程图如图2所示。PWM灰度控制目的是控制 LED 产生不同的灰度，该电路中，产生一个灰度控

6、制信号，控制流过LED的电流的打开和关断，这个灰度控制信号是由 PWM 计数器产生的8 b信号与SDI 输入的各通道的灰度数据进行了256次比较，输出具有一定占空比的灰度控制信号，将这个信号输出到LED的开关控制端，进而实现256级灰度调节功能。图2 PWM工作流程图该芯片中每个通道的灰度控制数据为8 b，16通道的恒流输出总共有128 b控制数据。8 b的灰度数据可以实现28级亮度调节。在SDI端口的数据传输过程中，首先读入的是 OUT15通道的最低信号位，最后读入的是 OUT0 通道的最高信号位。因此，各输出通道的 LED驱动电流占空比可由式（1）计算得到：256 （1）式中=0;或1;，

7、是第个通道的灰度数据的第位数据。灰度数据0000 0000;产生的输出电流占空比为0，而1111 1111;产生的输出电流占空比为1。本文的PWM调光模块功能由Verilog HDL语言编程实现。3 PWM模块功能的验证本模块的功能仿真由Modelsim完成，测试数据：16个通道的仿真结果如图3所示。由图3可以看出，每个通道实际输出的PWM控制信号的占空比与由式（1）计算应得理论数据完全符合，因此实现了该模块的PWM调光功能。而且由于每个通道输入数据不同，所以输出具有不同占空比的开关控制信号，从而使每个通道输出的电流值不同。图3 PWM功能仿真结果将该PWM调光功能模块加入16通道恒流LED驱

8、动芯片，在Cadence Spectre下进行芯片的联合仿真，如图4所示是在典型工艺角（TT model）下，5 V，25，2 kΩ时，对该芯片进行瞬态仿真，所得到的16个通道的输出电流的仿真结果。图4 16通道PWM控制输出电流的仿真结果从图4中可以看出，由于每个通道输入的灰度数据不同，因此每个通道输出电流的占空比也完全不同，它是由每个通道所输入的灰度数据所决定的。以几个通道的输出结果为例进行说明：通道一的灰度数据为，因此输出电流的占空比就为通道二的灰度数据为，因此输出电流的占空比就为通道三的灰度数据为，因此输出电流的占空比就为其他通道的结果依次类推，仿真结果表明该PWM调光模块

9、实现了在16通道恒流LED驱动芯片中的数字调光功能。4 结 语本文设计了一种应用于多通道恒流LED驱动芯片的PWM调光功能模块，通过Verilog HDL语言编程实现，并由Modelsim进行仿真。结果表明可以实现PWM调光控制信号的输出，并与理论值相符，另外与芯片的联合仿真表明该模块实现了预期的设计功能。参考文献【1】 杨清德.LED工程应用技术.北京：人民邮电出版社，2010.【2】 刘胜利.LED驱动电路设计与应用.北京：中国电力出版社，2009.【3】 陈传虞，刘明，陈家桢.LED驱动芯片工作原理与电路设计.北京：人民邮电出版社，2011.【4】 毛兴武，张艳雯，周建军，等.新一代绿色光源LED及其应用技术.北京：人民邮电出版社，2008.【5】 ALLEN P E， HOLBERG D R. CMOS