矩陣式 LED 調光器助力實現色彩鮮艷亮麗的 LED 燈

RGB LED 串用于投影儀、建筑、顯示器、舞臺和汽車照明系統，因為這類系統需要高效率、明亮的光輸出。一個 RGB LED 串要產生預期的色彩，其中每個 LED (紅、綠和藍光) 都需要獨立和準確的調光控制。高端系統可以使用一個光反饋環路，以使微控制器能夠調節 RGB LED 串，提供準確的色彩。給 RGB LED 串增加一個白光 LED，形成一個 RGBW LED 串，就可以增加彩色照明系統可用的色彩、飽和度和亮度值。每個 RGBW LED 串中的 4 個 LED 都需要進行準確調光。兩個 RGBW LED 串需要 8 個“通道”。

驅動 RGBW LED 串以實現色彩和亮度控制的方式多種多樣。一種驅動 RGBW LED 串并調節其亮度的方式是使用 4 個單獨的 LED 驅動器，分別用于 4 種顏色 (R、G、B 和 W)，如圖 1a 所示。在采用這種方式的系統中，每個單獨的 LED 或 LED 串的電流 (或稱 PWM 調光) 是由單獨的驅動器和控制信號驅動的。不過，在這類解決方案中，LED 驅動器的數量會隨著 RGBW LED 串數量的增加而迅速增多。任何采用大量 RGBW LED 串的照明系統都需要大量驅動器，對這些驅動器的控制信號進行同步的工作量也很大。

一種簡單得多 (也更便捷) 的方法是，用單個驅動器 / 轉換器以固定電流驅動所有 LED，同時用一個并聯功率 MOSFET 矩陣對各個 LED 進行 PWM 調光以實現亮度控制。如圖 1b 所示的矩陣式調光器和單個 LED 驅動器減小了圖 1a 解決方案的電路尺寸。此外，用單條通信總線控制矩陣式 LED 調光器使 RGBW LED 色彩混合系統相對簡單和緊湊，同時驅動大電流 RGBW LED 串時，色彩和亮度控制也很準確。

圖 1a

圖 1b

圖 1a 和 1b：(1a) 在大功率色彩混合應用中，8 個單獨的 LED 驅動器和 PWM 信號可用來驅動兩個 RGBW LED 串，或者 (1b) 可用具串行通信功能的單個升壓-降壓型 LED 驅動器和矩陣式 LED 調光器實現小得多、也緊湊得多的解決方案。

LT3965 矩陣式 LED 調光器可實現這樣的設計，如圖 5 所示。每個LT3965 的 8 個開關矩陣式調光器可以與整整兩個 RGBW LED 串配對使用，從而允許在零至 100% 亮度之間、以 1/256 的 PWM 步進單獨控制每個 LED (紅、綠、藍和白光) 的亮度。兩線 I²C 串行接口命令為所有 8 個通道提供色彩和亮度控制。提供給矩陣式 LED 調光器 IC 的 I²C 串行接口代碼決定所有 8 個 LED 的亮度狀態，并可以在發生故障的情況下，檢查 LED 是否開路或短路。

既然 RGBW LED 串中的每個 LED 都設計成單點光源，那么紅、綠、藍和白光合起來就產生了多種多樣的色彩，而且飽和度、色彩和亮度是可控的。憑借高速 LT3965 矩陣式調光器，可以在零 (0/265) 和 100% (256/256) 亮度之間、以 1/256 調光步進設定每個 LED 的亮度。

準確的 0 ~ 256 級RGBW 色彩及亮度控制

通過對 RGBW LED 串中的紅、綠、藍和白光 LED 單獨進行 PWM 調光，RGBW LED 可以產生準確的色彩和亮度。單獨進行的 PWM 亮度控制可支持 256:1 或更高的調光比。取代 PWM 調光的另一種方法是，簡單地降低每個 LED 的驅動電流，但這種方法會影響準確度，因此僅允許 10:1 的調光比，而且這種方法導致 LED 本身產生色偏移。采用 PWM 調光的矩陣式調光方法與降低驅動電流的方法相比，前者的色彩及亮度準確度會更高。

LED 驅動器 (提供 500mA LED 電流) 的帶寬和瞬態響應會影響色彩準確度。圖 5 中緊湊的升壓-降壓型轉換器的交叉頻率高于 10kHz，輸出電容器很小或沒有輸出電容器，隨矩陣式調光器接通或斷開其開關，該轉換器可對所驅動 LED數量的變化迅速做出響應。

為了說明快速瞬態響應對準確度而言多么重要，我們以不同的 PWM 占空比單獨運行紅、綠和藍光 LED，并用一個 RGB 光傳感器測量這些 LED 的光輸出。圖 3 中的結果顯示，在 4/256 至 256/256 范圍內，每種顏色的斜率是一致的，在低于這個范圍時斜率稍有變化。當然，紅、綠和藍光 LED 的色彩性能并不是完美無缺的，因此，甚至在僅驅動一種顏色的 LED 時，有些顏色還是會從其他頻帶上泄漏出來。不過，總的來看，這是一個高度準確的系統。

圖 2：用 LT3965 矩陣式調光器對 500mA RGBW LED 串的電流進行 PWM 調光和調相，以產生各種色彩和照明圖案。在對各個 LED 進行單獨的 PWM 調光時，LT3952 升壓-降壓型轉換器 / LED 驅動器非常容易跟上 LED 電壓的迅速變化。

圖 3：PWM 調光占空比在 0/256 – 256/256 之間變化時，對紅、綠、藍和白光亮度的控制情況。PWM 調光占空比由矩陣式 LED 調光器控制，該調光器與 LT3952 升壓-降壓型 LED 驅動器配對使用，如圖 5 所示。

采用帶寬非常大 (>40kHz) 的降壓型轉換器 LED 驅動器時，直至 1/256 PWM 調光范圍的準確度都可改善，但是要這么做，或者需要增加另一個升壓型轉換器，以提供一個穩定和高于 30V 的輸出電壓，因而增加了成本，或者需要一個高于 30V 的輸入電壓源。除非在極低光輸出時必須提供非常高的準確度，否則沒什么理由額外增加一個轉換器，而放棄圖 5 中通用、簡單和尺寸緊湊的升壓-降壓型轉換器。

這里描述的矩陣式調光 RGBW LED 色彩混合器系統實現了非常寬的色域，如圖 4 所示。增加額外的顏色，例如琥珀色，還可以進一步擴展色域。RGBWA LED 串 (包括一個琥珀光 LED) 可以產生 RGBW LED 串無法產生的深黃色和深橘黃色。這些 LED 也可以用矩陣式調光器驅動，不過與 8 通道矩陣式調光器很好匹配的是兩個 RGBW LED。

圖 4：RGB LED 串提供很寬的色域。簡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 用來改變飽和度，同時用紅光、綠光和藍光 LED 設定色彩。

LT3965 的 256 級調光方法非常容易對應于典型的 RGB 著色程序和常見的色彩混合算法。例如，如果打開一個標準的 PC 著色程序就會看到，色彩混合是通過 256 個值的 RGB 系統完成的，如圖 6 所示。再比如，圖 2 中的 LED 電流波形用一個 RGBW 矩陣式 LED 系統產生紫色光，而這個矩陣式 LED 系統是由基本 PC 著色程序控制的。由于本文描述的設計方案產生準確的電流驅動和 PWM 控制，因此可以通過調節各個 LED 的占空比，按照預期對RGBW LED串進行色彩校準，從而可簡便地抵消固有的 LED 亮度變化。

圖 5：LT3965 矩陣式 LED 調光器與 LT3952 升壓-降壓型 LED 驅動器一起使用，控制兩個 500mA RGBW LED 串中各個 LED 的色彩，以串行通信方式控制色彩和照明圖案。

(6a)

(6b)

(6c)

圖 6：用標準 PC 色彩選擇器可以選擇色彩。矩陣式調光器使用的 256 個值 (0 - 256) 可以與典型 RGB 系統中使用的 0 – 255 對應。例如，RGB (128、10、128) 產生紫色光。如以上照片中所見，矩陣式調光器可以使一個真實的 RGBW LED 串產生預期色彩，從而簡化照明設計師的工作。(6a) 選擇一種顏色。(6b) 使 RGB 值與 LT3965 LED 矩陣式調光器的調光比相對應。(6c) 用 PC 設定調光比的值，之后可以看到結果。

采用升壓-降壓型驅動器的矩陣式 LED 色彩混合器

矩陣式調光器需要合適的 LED 驅動器，以能夠用多種輸入給 8 個 LED 組成的 LED 串供電，例如標準 12V ±10% 電源、9V 至 16V (汽車電池) 或 6V 至 8.4V (鋰離子電池)。這類驅動器解決方案之一是 LT3952 升壓-降壓型 LED 驅動器，從輸入至 LED，該解決方案既可升高也可降低電壓，同時提供低紋波輸入和輸出電流。在該器件的浮置輸出拓撲中，輸出電容器很小或沒有輸出電容器，因此在以接通斷開方式對各個 LED 進行 PWM 調光以控制色彩和亮度時，該器件能夠快速響應 LED 電壓的變化 (圖 2)。

圖 5 所示的 LT3952 500mA 升壓-降壓型 LED 驅動器與 8 開關矩陣式 LED 調光器 LT3965 以及兩個 RGBW 500mA LED 串一起使用。當串聯 LED 數量在 0 至 8 個范圍內變化時，這種新的升壓-降壓型拓撲可以在 0V 至 25V 輸出電壓范圍內順暢地運行。串聯 LED 的瞬時電壓隨時變化，怎樣變化取決于，在任意給定瞬間，矩陣式調光器啟動和禁止了哪些以及多少 LED。這個轉換器 / 拓撲的 60V OUT 電壓 (V_IN 和 V_LED 之和) 以及轉換器占空比針對 6V 至 20V 的整個輸入范圍以及 0V 至 25V/500mA 的輸出范圍 (串聯 LED 電壓) 做出了規定。

矩陣式調光器用并聯功率 MOSFET 對 LED 分流，以此控制 LED 亮度。無論是浮置輸出升壓-降壓型 LED 驅動器還是矩陣式 LED 調光器，都不要求 LED 接地。只要 LT3965 的 V_IN 引腳連至 SKYHOOK，所有并聯 MOSFET 都可以正常工作，電壓至少比 LED+ 高 7.1V。SKYHOOK 電壓可以由開關轉換器構成的充電泵產生，也可以由一個穩定的電源提供，當然該電源電壓要至少比預期的 LED+ 最高電壓高 7.1V (在這種情況下，為 20V V_IN 最大值加上 25V LED 最大值)。采用 3mm x 2mm DFN 封裝的纖巧 LT8330 升壓型轉換器產生 SKYHOOK 電壓是個不錯的選擇。

一個可選外部時鐘器件用來在 350kHz 時同步系統，這種方法適合汽車環境，因為效率相對較高，且允許使用緊湊型組件。盡管這個系統同樣可以在 2MHz (高于 AM 頻段) 上運行，但當矩陣式調光器使所有 LED 都短路，且 LED 串電壓降至 330mΩ • 500mA • 8 = 1.3V 時，350kHz (低于 AM 頻段) 使這個升壓-降壓型轉換器無需采用脈沖跳躍模式，就能夠執行調節功能。這個頻率還支持高調光比而不會產生可見的 LED 閃爍。

LED 接通或斷開時的啟動順序

矩陣式 LED 調光器系統可以設定以在所有 LED 都接通或斷開時啟動。如果在所有 LED 都斷開時啟動，那么這些 LED 的亮度就可以和緩地漸變，或者以設定的色彩和亮度啟動，例如 10% 亮度的綠-藍光。如果在串行通信系統發出命令指示調光器該做什么之前，所有 LED 都以 500mA 滿標度電流啟動，那么在串行通信啟動之前，可能看到明亮的全“白色”光。

無論以哪種方式啟動，LT3965 都應該在接收 I²C 串行通信命令之前加電，否則當該器件進行加電復位 (POR) 時，初始通信命令可能丟失。當 EN/UVLO 引腳向上穿過 1.2V 門限時，就會發生 POR。既然這個電壓以 SKYHOOK 至少比 LED+ 高 7.1V 這一事實為基礎，那么任何時候只要加上高的 SKYHOOK 電壓后就能發生，例如用一個小型升壓型穩壓器提供 55V，或者來自 LT3952 開關節點的充電泵電壓足夠高以提供 SKYHOOK 電壓后也會發生。在由充電泵提供 SKYHOOK 電壓的情況下，充電泵提供 SKYHOOK 電壓之前，也許存在 LED 電流，因此在 LT3965 的開關斷開 LED 之前，LED 會發光。這是一種簡單的解決方案，設計師想讓 LED 以最大亮度接通啟動時，可以使用這種方案。

要讓 LED 開始工作，必須在 LT3952 接通之前存在高的 SKYHOOK 電壓。如圖 6 所示，如果 PWM 引腳在啟動時保持低電平，那么 LT3952 就不啟動，直到外部信號命令該器件啟動為止，例如由主微控制器發來這樣的信號。一旦 SKYHOOK 電壓出現，該微控制器就可以向 LT3965 發送 I²C 設置命令，將 LT3965 的開關設置到 LED OFF 位置，之后電流將流向這些開關。設置完成后，就可以確認 LT3952 PWM，然后電流開始流經已經短路的 LT3965 開關，LED 則處于關斷狀態。之后，出現亮度漸變的啟動，或者 LT3965 調光器可能躍變至特定色彩或亮度。

一發生復位，LT3952 的 PWM 必須再次拉低以將其關斷，并在 LED 關斷位置重新啟動。在圖 5 所示情況下，LT8330 這類簡單的微功率升壓型轉換器可在 6V 至 20V 輸入電壓范圍內提供 55V 輸出。通過確認 ALERT 標記，微控制器接收表示 LT3965 已加電并準備好接收串行通信命令的信號。在任何開關被短路之前，由于開關兩端電壓為零，所以通過 LED 的電流為零，這種狀態被解釋和報告為短路故障。只有在通過 SKYHOOK 給 LT3965 加電后，才會確認這個標記。

結論

LT3965 矩陣式 LED 調光器可以與升壓-降壓型 LED 驅動器配對使用，以構成一個色彩準確的 RGBW LED 色彩混合器系統。LT3952 可用來在 6V 至 20V 輸入范圍內以 350kHz 開關頻率和 500mA 電流驅動兩個 RGBW LED 串。這種通用系統可由汽車電池、12V 電源或鋰離子電池供電。之所以能夠實現很高的色彩準確度，是因為正在申請專利的升壓-降壓型 LED 驅動器拓撲能夠實現快速瞬態響應，并能夠通過 256:1 的 I²C 控制矩陣系統實現預期的調光控制。LT3965 可設定為啟動時，所有 LED 都斷開，并以漸變亮度啟動，或直接跳躍至特定色彩。可以增加光反饋 (通過微控制器) 以提高色彩準確度，盡管不是必須這么做。