矩阵式 LED 调光器可准确控制 RGBW LED 组的色彩并使 LED 产生准确的图案

RGB (红、绿和蓝光) LED 组用于需要高效率、明亮输出的投影、建筑、显示、舞台和汽车照明系统。为了让 RGB LED 产生可预测的色彩,每个组件 LED (红、绿和蓝光) 都需要单独、准确的调光控制。高端系统可使用光反馈环路,以使微控制器能够调节 LED 组的色彩准确度。给 RGB LED 增加一个白光 LED 以产生一个 RGBW LED 组,可扩展彩色系统中可用的色彩、饱和度和亮度值。

每个 RGBW LED 都需要对 4 个组件 LED 准确调光。两个 RGBW LED 组需要 8 个 “通道”。

对 RGBW LED 组进行驱动和调光的一种方式是使用 4 个单独的 LED 驱动器,每种色彩 (红、绿、蓝和白) 各一个。在这样的系统中,每个单独的 LED 或 LED 串的电流或 PWM 调光是由单独的驱动器和控制信号驱动的。然而,在这种解决方案中,随着 RGBW LED 组数量的增加,LED 驱动器的数量迅速增加。任何有大量 RGBW LED 组的照明系统都需要大量驱动器,并需要同步用于这些驱动器的大量控制信号。

一种简单得多 (也更简洁) 的方法是,用单个驱动器 / 转换器以固定电流驱动所有 LED 组,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。此外,用单条通信总线控制 LED 的调光矩阵使得 RGBW 混色 LED 系统相对容易产生。

LT3965 矩阵式 LED 调光器实现了这样的设计,如图 1 所示。每个 LT3965 8 开关矩阵式调光器都正好可与两个 RGBW LED 组配对使用,从而允许以 1/256 PWM 步进、在零至 100% 亮度之间单独控制每个 LED (红、绿、蓝和白) 的亮度。两线 I2C 串行命令提供色彩和亮度控制。提供给 LT3965 的 I2C 串行数据决定所有 8 个 LED 的亮度状态,并可在故障状态下检查开路和短路的 LED。

图 1:LT3965 矩阵式 LED 调光器与 LT3952 升压-降压型 LED 驱动器一起,单独控制两个 500mA RGBW LED 组的色彩,以串行控制方式控制色彩和图案

图 1:LT3965 矩阵式 LED 调光器与 LT3952 升压-降压型 LED 驱动器一起,单独控制两个 500mA RGBW LED 组
的色彩,以串行控制方式控制色彩和图案

采用 LT3952 升压-降压型 LED 驱动器的矩阵式 LED 混色器

矩阵式调光器需要合适的 LED 驱动器从各种输入给 8 个 LED 组成的 LED 串供电,这些输入包括:标准12V ±10%、9V至16V (汽车) 或 6V至8.4V (锂离子)。一个这类解决方案是 LT3952 升压-降压型 LED 驱动器,该驱动器提高和降低输入至 LED 的电压,同时提供低纹波输入和输出电流。在其浮置输出拓扑中,用很小的输出电容器或不用输出电容器,该驱动器就能够在以 PWM 调光方式单独接通和断开 LED 时,快速响应 LED 电压的变化。

图 2:RGBW 500mA LED 电流由 LT3965 矩阵式调光器进行 PWM 调光和调相,以产生各种色彩和图案。LT3952 升压-降压型转换器 / LED 驱动器在对单独的 LED 进行 PWM 调光时,非常容易跟上LED 电压的快速变化。

图 2:RGBW 500mA LED 电流由 LT3965 矩阵式调光器进行 PWM 调光和调相,以产生
各种色彩和图案。LT3952 升压-降压型转换器 / LED 驱动器在对单独的 LED
进行 PWM 调光时,非常容易跟上LED 电压的快速变化。

图 1 所示 LT3952 500mA 升压-降压型 LED 驱动器与 LT3965 8 开关矩阵式 LED 调光器和两个 RGBW 500mA LED 组配合使用。这种新型拓扑能够在 0 至 8 个串联 LED的整个范围内平滑运行,这时电压范围为 0V 至 25V。瞬时串联 LED 电压在变化,大小取决于在任意给定瞬间,矩阵式调光器启动了哪些 LED 以及多少 LED。这个转换器 / 拓扑的 60V OUT 电压 (VIN 和 VLED 之和) 以及转换器的占空比是在 6V 至 20V 的整个输入范围内以及 500mA 时 0V 至 25V 的输出电压 (LED 串联电压) 范围内规定的。

这种升压-降压型浮置输出拓扑使用 LT3965 矩阵式调光器能够很好地运行。这款矩阵式调光器通过用并联功率 MOSFET 对 LED 电流分流来控制 LED 亮度。这些 LED 不需要连接至地。只要 LT3965 的 VIN 引脚连至 SKYHOOK (其电压至少比 LED+ 高 7.1V),所有并联 MOSFET 就都正常运行。SKYHOOK 可以用一个由开关转换器构成的充电泵提供,或者可以用一个稳定电源供电。采用 3mm x 2mm DFN 封装的纤巧 LT8330 升压型转换器是个很好的选择以产生 SKYHOOK。

一种可选的外部时钟器件可用来将系统同步至 350kHz,这适合汽车环境,效率相对较高,允许使用紧凑型组件。尽管这种系统也可以在 2MHz (高于 AM 波段) 运行,但是当所有 LED 都通过矩阵式调光器短路且 LED 串电压降至 330mΩ • 500mA • 8 = 1.3V 时,350kHz (低于 AM 波段) 使这款升压-降压型转换器无需采用脉冲跳跃模式就能够稳定。这个频率也支持高调光比,而且没有可见 LED 闪烁。

既然每个 RGBW LED 都设计为单点光源,那么红、绿、蓝和白光相结合可产生各种色彩,而且饱和度、色彩和亮度可控。每个 LED 都可在 0 (0/256) 至 100% (256/256) 之间以 1/256 步进设定。

准确的 0 至 256 种 RGBW 色彩和亮度控制

通过对单独的红、绿、蓝和白光组件 LED 进行 PWM 调光,RGBW LED 可产生准确的色彩和亮度。单独的 PWM 亮度控制可支持 256:1 或更高的调光比。一种可替代 PWM 调光的方法是简单地降低每个 LED 的驱动电流,但是这种方法的准确度受限,因此仅允许 10:1 的调光比,并导致 LED 本身的色移。在色彩和亮度的准确度方面,采用 PWM 调光的矩阵式调光方法表现好于驱动电流方法。

LED 驱动器的带宽和瞬态响应影响色彩准确度。在超过 10kHz 交叉频率以及使用很小的输出电容器或没有输出电容器的情况下,当矩阵式调光器接通和断开其开关时,紧凑的升压-降压型转换器快速响应所驱动的 LED 数量的变化。

为了说明这一点对准确度而言有多重要,让红、绿和蓝光 LED 以不同的 PWM 占空比单独运行,并用一个 RGB 光传感器测量其光输出。图 3 中的结果显示,每种色彩从 4/256 至 256/256 有一致的斜率,低于这个范围时,斜率有轻微变化。当然,红、绿和蓝光 LED 在色彩性能方面也不是完美的,因此,甚至仅驱动一种色彩的 LED 时,有些色彩还是会从其他波段泄漏出来。总体而言,这是一个高度准确的系统。

图 3:当与图 1 所示 LT3952 升压-降压型 LED 驱动器一起使用时,红、绿、蓝和白光亮度控制与 0 至 256 (总共 256) 种由矩阵式 LED 调光器控制的PWM 调光占空比。

图 3:当与图 1 所示 LT3952 升压-降压型 LED 驱动器一起使用时,红、绿、蓝和白光亮度控制
与 0 至 256 (总共 256) 种由矩阵式 LED 调光器控制的PWM 调光占空比。

使用带宽非常大 (>40kHz) 之 LT3952 LED 驱动器的降压型转换器版本,准确度直至 1/256 都可以改善,但是这或者涉及增加另一个升压型转换器以产生稳定和高于 30V 输出电压所带来的费用增加,或者涉及需要一个高于 30V 的输入电压源。除非在很低的光输出时必须有很高的准确度,几乎没有理由增加一个额外的转换器,而放弃升压-降压型驱动器的通用性、简单性和紧凑的尺寸。

LT3965 的 256 级调光方法非常容易转换成典型的 RGB 着色程序和常见的混色算法。例如,如果你打开一个标准 PC 着色程序,那么你会看到,色彩是用一个 256 个值的 RGB 系统混合的。图 2 中的 LED 电流波形从一个由基本 PC 着色程序控制的 RGBW 矩阵式 LED 系统产生紫色光。因为本文介绍的设计产生准确的电流驱动和 PWM 控制,所以通过调节组件 LED 的占空比,就能够以可预测的方式校准 RGBW LED 的色彩,从而非常容易地考虑到 LED 亮度的固有变化。

结论:LT3965 矩阵式 LED 调光器可与 LT3952 升压-降压型转换器一起使用,以构成一个色彩准确的 RGBW LED 混色系统。该器件还可用来在 6V 至 20V 输入范围内,以 350kHz 开关频率,在 500mA 时驱动两个 RGBW LED 组。升压-降压型 LED 驱动器拓扑 (正在申请专利) 的快速瞬态响应,加之通过 256:1 I2C 控制的矩阵式系统实现之可预测调光控制,就可以产生很高的色彩准确度。

原文链接:http://www.linear.com.cn/product/LT3965