大电流情况下驱动时分复用LED阵列的新方法
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然而，当LED需要大电流时，因为刷新率的原因使得该设计比较难付诸实践。当两个或两个以上的LED同时点亮时，LED驱动需要使得电流在LED矩阵中得到均匀分流。这样的结果是，设计人员们发现使用传统LED驱动器芯片时，大电流输出(产生高亮度)与高效能、低成本、小尺寸很难同时兼得。(“刷新率”的释义见下文) 有趣的是，传统的LED驱动芯片能驱动大量矩阵排列的LED。但仔细阅读规格书我们就会发现：矩阵排列中电流阱/电流源的恒定电流基本保持在10-40mA;只有少数几个电流阱/电流源的恒定电流能达到150mA。 实际上，对许多大型显示应用来说，150mA的电流就足够了。但时分复用架构中的刷新率意味着LED的有效峰值电流一般都是芯片标称峰值电流的一半或三分之一。 本文通过并不为大家所熟知的电视背光LED驱动芯片描述了该问题的解决方案。快速增长的LED电视市场孕育出了新一代复杂、高效的大电流驱动芯片。本文将深入研究时分复用方法的具体操作，并展示背光驱动芯片能在多大程度上满足大型照明系统和标识系统的要求。 时分复用矩阵的基本操作 时分复用是驱动LED矩阵的一种技术，使用该技术时，无需每颗LED都搭配一个电流源。图1展示了时分复用方法的运作。为了控制LED D1，Source.1需要一个高于LED最大正向电压(VF)的电压;同时，Sink.1必须和一个电阻或其他类型的电流阱相连接，为LED带来电流。LED D5同样通过Source.2和Sink.2得到控制。
图1：LED时分复用方法的操作 目前为止都很简单。但是，如果D1和D5需要同时被点亮该怎么办?如果Sink.1/Sink.2与Source.1/Source.2同时打开，那么D2和D4也会被点亮。为了解决这个问题，我们必须引入时分复用的概念。驱动器不会持续打开Source.1、Source.2、Sink.1和Sink.2，而是复用Source.1/Sink.1和Source.2/Sink.2。 当LED D1和D5的闪烁频率等于或高于50Hz时，人眼看到的将是持续的灯光。这种时分复用技术使用超过50Hz的刷新率，因此D1和D5能在D2和D4不亮的情况下被点亮。 当然，该方法也有一个缺点：时分复用及刷新率减少了通过LED的电流总量。换句话说，给定的矩阵刷新率在作用给定的LED矩阵时，在LED上只有一半有效工作周期：在电流阱设定电流为100mA时，通过每一个LED的有效恒定电流为50mA。 似乎有一个明显的方法可以解决这个问题：将Sink.1和Sink.2的电流量增加一倍至200mA，使通过LED的恒定电流达到100mA。不幸的是，200mA的输出电流已经超过当今市场上传统LED驱动芯片的驱动能力。 时分复用控制方案 刷新率描述的是电流流过矩阵中每个被点亮的LED时每秒重置的次数。图2是矩阵控制方案的一个例子。在图中，D1、D5和D9被点亮时，通过每个LED的电流为100mA。
图2：时分复用控制方案 如果复用控制方案循环的速度足够快，每秒循环达到200到1,000次(取决于同时需要被点亮的LED数量)，那么LED在人眼中看到的便是持续点亮的状态。在图2中，整个矩阵的刷新率为200Hz，这意味着每个LED刷新率约为67Hz，相当于每个LED有33%的工作周期。也就是说，每个电流阱至少需要产生300mA的电流才能为每个LED提供相当于100mA的恒定电流。 时分复用也产生了动画。动画可以由一系列预定义的位图图像在软件代码中制作出来，这些位图图像通常是一些多字节数组，其中的每一个比特对应LED矩阵中的某个LED。为了制成图片，控制器必须逐字节扫描一个阵列，依次展示每一列。 大电流情况下驱动时分复用LED架构的新方法 电视背光灯设计几乎已经完全用LED代替白炽灯。作为一个巨大的细分市场，电视背光促使专业背光LED驱动芯片的不断壮大。由于电视在亮度方面日益提高的要求，这些IC，无论是通过外部MOSFET或是嵌入在驱动器芯片内部的FET，都必须实现大电流环境下对LED的控制。 奥地利微电子公司的AS3693B是实现这一功能的典型产品。它是一个16通道的高精度LED控制器，内置PWM发生器用于驱动外部FET。(其姐妹产品AS3693A则具有集成的MOSFET。)尽管AS3693系列产品是为了满足电视生产商对电流的精确控制而设计的，但该器件仍可用于其它应用中对LED的驱动和控制。 与AS382x系列相同, AS3693也具有编程控制输出电流这一实用功能。其功能选项包括： ● 通过PWM发生器对每个通道实现独立的数字电流控制 ● 通过8位数字模拟转换器实现线性电流控制 ● 通过外部模拟电压实现线性电流控制 除了能控制外部MOSFET，AS3693B还提供给设计者足够的自由，可依照不同的应用来设定合适的最大电流，调整合适的输出，如： ● 多像素广告板 ● 交通信号灯 ● 背光招牌 ● 通用照明 ● 带有RGB色变的塑形照明 示例：LED“出口”标志 使用LED的安全出口标志相比使用传统的白炽灯在性能上可提升多达90%。如果按照一天使用24小时计算，那么使用LED所节省的成本和能源是非常可观的。 LED出口标志由于LED灯较长的更换周期(一般更换的周期长达十年)能节省大量维护和修理的成本。此外，LED标志的照明性能也较好。 图3展示的是单颗AS3693B—内置集成PWM发生器的16通道驱动芯片—是如何被用来控制时分复用矩阵中60个白光LED的。(采用几乎相同的电路也可以用来控制3 x 20 RGB LED。)与需要4颗16通道驱动芯片且没有PWM发生器的传统设计相比，采用具有此时分复用架构的芯片能帮助系统设计人员减少大量用料并节省空间。 流过每颗LED的恒定电流由NMOS晶体管提供。选择合适的晶体管能提高效率并提升LED亮度。最大电流通过RSET 电阻器进行限制，该电阻器与每个电流阱的外部MOSFET的源极相连。
图3：奥地利微电子公司采用一颗AS3693B依时分复用架构控制60个时分复用白光LED 为了更大程度地降低功耗，AS3693的电流设置可根据环境光的强弱进行调节。白天可以降低亮度;一旦环境光变暗，系统便会提高亮度，产生更高的能见度和对比度。 通过智能直流转换提高效率 有时候LED可能直接连接到电源上，比如与一个12伏的电源直接连接，但这会降低该设计的能效，因为能源在NMOS晶体管中以热的形式被浪费。为了优化电池驱动设备的能效，可以利用外部DC-DC转换器为LED均匀供电，转换器能动态地调整其输出电压以符合LED正向电压的要求。 AS3693B提供了三种不同的反馈路径，并且每个LED都分配到一个特定的供给电源。该线路运用如图4。AS1341是一个高效的降压转换器，其输出电压可调范围为1.25V~输入电压(最大可调节至20伏)。利用分压器，AS1341能侦测自身输出电压。通过改变该分压器，可在最低输出电压(VMIN)和最高输出电压(VMAX)范围内调整输出电压，这是设备动态反馈控制的基础。
图4：AS3693B针对可调电压控制的反馈框图 AS3693B中FBR、FBG以及FBB管脚的输出可用于控制外部电源。AS3693B中的每个PWM发生器都可以独立选择使用三个反馈口中的任意一个。 或者，我们也可以将AS3693B中所有反馈管脚连到一起作为单一反馈口使用，这样，默认的寄存器设定将会作为常规反馈来反馈到电源。 结论 随着导入时分复用架构到LED背光驱动芯片，并结合可调式电源，大型LED阵列的设计者们可大大节省电路板面积、所需材料成本，并降低能源消耗。此外，该设计使用了现成的标准零件，这些零件都有相关文档及规格书供参考。 |
