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三基色LED驅(qū)動原理及應(yīng)用IC線路設(shè)計(jì)

摘要： 我們一般將最簡單、最優(yōu)化的配色方式作為,設(shè)計(jì)全彩顯示技術(shù)的顏色再現(xiàn)方法.白平衡是檢驗(yàn)顏色組成的重要標(biāo)志之一.三基色白光一般是紅綠藍(lán)三基色按亮度比例混合而成,當(dāng)光線中綠色的亮度為69%,紅色的亮度為21%,藍(lán)色的亮度為10%時(shí),混色后人眼感覺到的是純白色。

關(guān)鍵詞： PWM調(diào)光 LED顯示屏 LED驅(qū)動

Abstract：

Key words :

　　三基色組成方式

在三基色設(shè)計(jì)應(yīng)用中通常是，通過調(diào)節(jié)設(shè)定LED電流來達(dá)到白平衡和最大的期望亮度值。

　　我們一般將最簡單、最優(yōu)化的配色方式作為，設(shè)計(jì)全彩顯示技術(shù)的顏色再現(xiàn)方法。白平衡是檢驗(yàn)顏色組成的重要標(biāo)志之一。三基色白光一般是紅綠藍(lán)三基色按亮度比例混合而成，當(dāng)光線中綠色的亮度為69%，紅色的亮度為21%，藍(lán)色的亮度為10%時(shí)，混色后人眼感覺到的是純白色。早前的CRT電視機(jī)到現(xiàn)在的LCD液晶顯示都是這樣組成的，LED當(dāng)然將成熟的技術(shù)照搬。

　　LED 紅、綠、藍(lán)三色的色品坐標(biāo)因工藝過程等原因無法達(dá)到全色譜的效果，而控制原色包括有偏差的原色的亮度得到白色光，稱為配色。當(dāng)為全彩色LED 顯示屏進(jìn)行配色前，為了達(dá)到最佳亮度和最低的成本，應(yīng)盡量選擇三原色發(fā)光強(qiáng)度成大致為3：6：1 比例的LED 器件組成像素。白平衡要求三種原色在相同的調(diào)配值下合成的仍舊為純正的白色。單就LED來說是很難實(shí)現(xiàn)，為了解決此類問題，一般IC都會設(shè)計(jì)設(shè)置電流大小的功能，便于不同批次LED都可以達(dá)到同樣的白光效果。

　　我們一般把可以合成的顏色叫做，原色；在應(yīng)用中的紅、綠、藍(lán)三色叫做，基色。色度圖中的三個(gè)頂點(diǎn)為理想的原色波長。如果原色有偏差，則可合成顏色的區(qū)域會減小，光譜表中的三角形會縮小，從視覺角度來看，色彩不僅會有偏差，豐富程度減少，見下圖。

　　LED 發(fā)出的紅、綠、藍(lán)光線根據(jù)其不同波長特性可大致分為紫紅、純紅、橙紅、橙、橙黃、黃、黃綠、純綠、翠綠、藍(lán)綠、純藍(lán)、藍(lán)紫等，橙紅、黃綠、藍(lán)紫色較純紅、純綠、純藍(lán)價(jià)格上便宜很多。三個(gè)原色中綠色最為重要，因?yàn)榫G色占據(jù)了白色中69%的亮度，且處于色彩橫向排列表的中心。因此在權(quán)衡顏色的純度和價(jià)格兩者之間的關(guān)系時(shí)，綠色是著重考慮的對象。

　　三基色組成方式

在三基色設(shè)計(jì)應(yīng)用中通常是，通過調(diào)節(jié)設(shè)定LED電流來達(dá)到白平衡和最大的期望亮度值。

　　三基色PWM調(diào)光

　　PWM Dimming (脈寬調(diào)制)，是LED最佳的灰度調(diào)節(jié)方式。PWM說的容易理解些，就是控制LED開和關(guān)的時(shí)間比例，將開和關(guān)的時(shí)間比例劃分為若干等級，LED就會顯示出相應(yīng)數(shù)量的灰階。

　　PWM頻率：剛才說了PWM就是打開和關(guān)閉LED的時(shí)間比例實(shí)現(xiàn)的，但是開關(guān)次數(shù)不能使太低，最起碼要欺騙過眼睛。借鑒電視機(jī)的經(jīng)驗(yàn)一般大于100Hz，有些LED顯示屏會受到攝像機(jī)的拍攝，有條件的建議設(shè)計(jì)在300-500Hz較為合理。

　　在三基色設(shè)計(jì)應(yīng)用中通常是，通過調(diào)節(jié)LED電流來達(dá)到白平衡和最大的期望亮度，通過控制PWM來實(shí)現(xiàn)灰階等級。LED領(lǐng)域灰度等級數(shù)目分別有7色、8級、16級、32級、64級、128級、256級、512級等幾種方式。也可以是不同的數(shù)量級，這些數(shù)量等級主要是便于數(shù)字線路數(shù)據(jù)處理而已。比如非要劃分為100級，那也是可以的。

　　三基色的灰度等級乘積，是產(chǎn)品理論可以再現(xiàn)的顏色數(shù)量，通常我們說多少種顏色。例如：單色是256色，紅256(級)×綠256(級)×藍(lán)256(級)= 16777216(16KK種顏色)。

　　單色256級灰度已經(jīng)完全滿足眼睛的色域需要，目前的LCD液晶顯示器就是這樣，也是目前IC支持最多的灰階之一。因LED色差較大有使用512級灰度，實(shí)際使用矯正后的部分灰度顯示。512灰階比較有代表性的IC有，MBI5030、TLC5940、DM137、DM133、DM412等。點(diǎn)校正的設(shè)計(jì)方法。這個(gè)方法用來在大型顯示器中校準(zhǔn)每個(gè)象素。校準(zhǔn)完成后，或者說完成點(diǎn)校正之后，當(dāng)顯示器調(diào)整到某個(gè)特定亮度時(shí)，每個(gè)象素都能提供一樣的亮度等級。

　　其它低灰階等級，可以在設(shè)計(jì)時(shí)按需要不同選擇。比如在商業(yè)裝飾照明上面32級就夠了，出文字符號等會更低。單色照明亮度調(diào)整16級即可滿足要求。

　　通用型驅(qū)動方式-74HC595

　　74HC595通用邏輯器件，在數(shù)字線路上面一直扮演著重要的角色，在LED前階段沒有很好的IC支持時(shí)，74HC595串行數(shù)據(jù)傳輸在LED上得到了應(yīng)用。在目前的產(chǎn)品設(shè)計(jì)中還是有許多廠家使用。實(shí)際優(yōu)勢并不明顯，74HC595是解決了數(shù)據(jù)級聯(lián)傳輸問題，但是IC并不恒流，一般是靠電阻限流或橋接小電流線路解決。長距離壓差問題，恒流顯得非常重要，恒流誤差也會較大的影響高灰度表現(xiàn)。輸出驅(qū)動訊號是類似PWM信號，灰度是控制器產(chǎn)生的，要是設(shè)計(jì)較大的項(xiàng)目，就需要較快的傳輸速度和刷新率，所以對控制器和線路級聯(lián)要求相對較高。

　　目前使用74HC595并不節(jié)省成本。一是，時(shí)鐘、鎖存、灰度是并行傳輸，需要74HC245配合，這也是成本；二是，大數(shù)據(jù)量的傳輸速度會增加線路成本和控制器成本，開發(fā)難度高。總之，74HC595是借到LED領(lǐng)域使用的，利用三位顯示RGB，閑置五位，一定會被專用IC所取代。已經(jīng)使用習(xí)慣了，使用在要求不高的場合還是可以的，新上項(xiàng)目就不建議大家再使用。

WS2703 芯片是專門為LED 驅(qū)動應(yīng)用設(shè)計(jì)的芯片，可以應(yīng)用于LED 顯示系統(tǒng)，特比適合多離散點(diǎn)的級連應(yīng)用。WS2703 提供了3 個(gè)恒定電流驅(qū)動輸出，驅(qū)動電流最大為50mA。WS2703 芯片包括串行移位寄存器和輸出寄存器。經(jīng)串行移位寄存器，串移輸入轉(zhuǎn)為3bit 并行輸出，并把該輸出作為輸出寄存器的輸入。串移寄存器和輸出寄存器由不同的時(shí)鐘信號控制，并且都是在時(shí)鐘信號的上升沿有效。WS2703 將控制信號驅(qū)動后輸出，該輸出可作為后級電路的輸入信號。

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　　恒流驅(qū)動設(shè)置

　　在WS2703中，各通道的通過的恒定電流可由與該通道電流反饋pin端所接的反饋電阻來設(shè)定，

　　恒壓驅(qū)動

　　WS2703提供恒定電壓驅(qū)動模式驅(qū)動LED，在該模式下，WS2703兼容ZQL9712。該模式(POL=高電平或者懸空)，適用于驅(qū)動電流不大于50mA的情況。將Fig5中的RXFB設(shè)置為0，即直接將XFB短接到地， WS2703即可工作在該模式下。

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　　外掛恒流驅(qū)動模式

　　WS2703的外掛恒流驅(qū)動模式使得其能夠以極低的成本串聯(lián)驅(qū)動多個(gè)LED，該模式下，POL＝高電平或懸空。

　　在設(shè)計(jì)中往往我們希望IC耐壓越高越好，但是這樣會和成本發(fā)生沖突。為了我們的設(shè)計(jì)利益最大化，最佳的方式是低壓制成設(shè)計(jì)，在需要較高的耐壓時(shí)增加三極管鉗位。這樣可以隨設(shè)計(jì)不同選擇最佳的鉗位方式，設(shè)計(jì)成本也得到了充分的考慮。見下圖：

　　級聯(lián)信號的驅(qū)動和連接

　　為了實(shí)現(xiàn)長距離的級聯(lián)信號傳輸， WS2703在SDO和CKO數(shù)據(jù)時(shí)鐘輸出端口集成了具有強(qiáng)驅(qū)動能力的推挽輸出電路，在2MHz的時(shí)鐘頻率下能夠?qū)崿F(xiàn)6米的驅(qū)動距離。

　　為了防止傳輸數(shù)據(jù)和時(shí)鐘信號在傳輸線中反射形成駐波，需要在信號的輸入輸出端傳接一個(gè)50Ω的電阻。

　　點(diǎn)晶科技-DM412

　　DM412在其它地方也有介紹過，這次要再重提下，主要是這顆IC還是有很多其它IC不可替代的地方。目前是唯一一款可以支持16位灰度調(diào)節(jié)的三位移位LED恒流IC。每路輸出高達(dá)16比特(65536級)灰階的可調(diào)線性電流，單路電流在200mA以內(nèi)；每路可單獨(dú)設(shè)置電流；內(nèi)置PWM功能；數(shù)據(jù)、時(shí)鐘和鎖存訊號輸出端均內(nèi)建緩沖器，支持長串接應(yīng)用。高灰階在設(shè)計(jì)需要灰階矯正的產(chǎn)品中，這樣可以通過軟體矯正燈點(diǎn)色差技術(shù)應(yīng)用。

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　　DM412開路偵測功能：

　　DM412 提供實(shí)時(shí)的LED 開路檢測功能，無須搭配額外的組件或芯片設(shè)計(jì)。當(dāng)輸出電流導(dǎo)通而輸出電壓小于0。3V 時(shí)，判定為LED 開路故障。當(dāng)鎖存信號激活時(shí)，每個(gè)通道的偵測結(jié)果會被寫入相對應(yīng)移位寄存器中之每字節(jié)最后一比特位置上按R[0]， G[0]， B[0]。開路偵測結(jié)果可以從串行輸出端口讀回。當(dāng)相對應(yīng)位置之偵測數(shù)據(jù)為”1”表示該通道正常，若為”0”則表示該通道開路。為確使LED 開路偵測功能在良好的條件下進(jìn)行，建議偵測時(shí)的影像數(shù)據(jù)(紅綠藍(lán)三色共48 比特)全填為1 以使通道設(shè)定為理想的導(dǎo)通狀態(tài)。

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　　使CKI 保持在高電位，并于其間送入8 個(gè)DAI 脈波即可成功啟動自動鎖存機(jī)制。 LED 開路偵測數(shù)據(jù)將從DAO 端口傳出。自動鎖存功能只在SDO =‘H’時(shí)有效。 POL 與STB 或ISTB 皆互為獨(dú)立。POL 端的任何電位變化都會設(shè)置(POL = H-L)或重設(shè)(POL = L-H)PWM 輸出。

　　美信-MAX16824

　　Maxim推出MAX16824/MAX16825 3通道、高亮度LED (HB LED)驅(qū)動器，具有6。5V至28V輸入電壓范圍。該系列器件具有三路36V額定、開漏極、恒定電流吸入輸出能力，可向三串獨(dú)立的HB LED提供高達(dá)150mA的電流。為優(yōu)化設(shè)計(jì)靈活性，該系列IC可以獨(dú)立設(shè)定各個(gè)通道的LED電流。為實(shí)現(xiàn)這一功能，MAX16824提供三路PWM調(diào)光輸入，用于獨(dú)立控制各串LED的亮度，并切換各串LED的導(dǎo)通與關(guān)斷。而MAX16825則提供了3位透明鎖存器、3位移位寄存器以及2Mbps、4線串行接口。該串行接口使器件的所有輸出通道均可通過外部微控制器進(jìn)行控制；同時(shí)還可以級聯(lián)多片MAX16825驅(qū)動器，實(shí)現(xiàn)協(xié)同工作。該系列靈活的LED驅(qū)動器對于多種應(yīng)用，包括工業(yè)、建筑以及裝飾照明；室內(nèi)/室外LED視頻顯示器、汽車內(nèi)部照明以及LCD背光等應(yīng)用非常理想。

　　MAX16824/MAX16825內(nèi)置調(diào)整管，具有很低的壓差，因此省去了所需的外部功率晶體管。器件內(nèi)置的三路調(diào)整管可提供±5%精度的LED電流控制，確保優(yōu)異的亮度匹配，同時(shí)縮減了尺寸、降低了整個(gè)驅(qū)動器方案的復(fù)雜度了成本。

　　MAX16824/MAX16825還可以提供一路+5V的穩(wěn)壓輸出，具有4mA的輸出電流驅(qū)動能力，當(dāng)發(fā)生過熱時(shí)可提供熱關(guān)斷功能。兩個(gè)器件均采用熱增強(qiáng)型、4mm×4mm、16引腳TSSOP封裝，帶有裸焊盤。