RGB (紅、綠和藍光) LED 組用于需要高效率、明亮輸出的投影、建筑、顯示、舞臺和汽車照明系統(tǒng)。為了讓 RGB LED 產(chǎn)生可預測的色彩，每個組件 LED (紅、綠和藍光) 都需要單獨、準確的調(diào)光控制。高端系統(tǒng)可使用光反饋環(huán)路，以使微控制器能夠調(diào)節(jié) LED 組的色彩準確度。給 RGB LED 增加一個白光 LED 以產(chǎn)生一個 RGBW LED 組，可擴展彩色系統(tǒng)中可用的色彩、飽和度和亮度值。
每個 RGBW LED 都需要對 4 個組件 LED 準確調(diào)光。兩個 RGBW LED 組需要 8 個 “通道”。
對 RGBW LED 組進行驅(qū)動和調(diào)光的一種方式是使用 4 個單獨的 LED 驅(qū)動器，每種色彩 (紅、綠、藍和白) 各一個。在這樣的系統(tǒng)中，每個單獨的 LED 或 LED 串的電流或 PWM 調(diào)光是由單獨的驅(qū)動器和控制信號驅(qū)動的。然而，在這種解決方案中，隨著 RGBW LED 組數(shù)量的增加，LED 驅(qū)動器的數(shù)量迅速增加。任何有大量 RGBW LED 組的照明系統(tǒng)都需要大量驅(qū)動器，并需要同步用于這些驅(qū)動器的大量控制信號。
一種簡單得多 (也更簡潔) 的方法是，用單個驅(qū)動器 / 轉(zhuǎn)換器以固定電流驅(qū)動所有 LED 組，同時用一個并聯(lián)功率 MOSFET 矩陣對各個 LED 進行 PWM 調(diào)光，以實現(xiàn)亮度控制。此外，用單條通信總線控制 LED 的調(diào)光矩陣使得 RGBW 混色 LED 系統(tǒng)相對容易產(chǎn)生。
LT3965 矩陣式 LED 調(diào)光器實現(xiàn)了這樣的設計，如圖 1 所示。每個 LT3965 8 開關矩陣式調(diào)光器都正好可與兩個 RGBW LED 組配對使用，從而允許以 1/256 PWM 步進、在零至 100% 亮度之間單獨控制每個 LED (紅、綠、藍和白) 的亮度。兩線 I2C 串行命令提供色彩和亮度控制。提供給 LT3965 的 I2C 串行數(shù)據(jù)決定所有 8 個 LED 的亮度狀態(tài)，并可在故障狀態(tài)下檢查開路和短路的 LED。
圖 1：LT3965 矩陣式 LED 調(diào)光器與 LT3952 升壓-降壓型 LED 驅(qū)動器一起，單獨控制兩個 500mA RGBW LED 組
的色彩，以串行控制方式控制色彩和圖案
采用 LT3952 升壓-降壓型 LED 驅(qū)動器的矩陣式 LED 混色器
矩陣式調(diào)光器需要合適的 LED 驅(qū)動器從各種輸入給 8 個 LED 組成的 LED 串供電，這些輸入包括：標準12V ±10%、9V至16V (汽車) 或 6V至8.4V (鋰離子)。一個這類解決方案是 LT3952 升壓-降壓型 LED 驅(qū)動器，該驅(qū)動器提高和降低輸入至 LED 的電壓，同時提供低紋波輸入和輸出電流。在其浮置輸出拓撲中，用很小的輸出電容器或不用輸出電容器，該驅(qū)動器就能夠在以 PWM 調(diào)光方式單獨接通和斷開 LED 時，快速響應 LED 電壓的變化。
圖 2：RGBW 500mA LED 電流由 LT3965 矩陣式調(diào)光器進行 PWM 調(diào)光和調(diào)相，以產(chǎn)生
各種色彩和圖案。LT3952 升壓-降壓型轉(zhuǎn)換器 / LED 驅(qū)動器在對單獨的 LED
進行 PWM 調(diào)光時，非常容易跟上LED 電壓的快速變化。
圖 1 所示 LT3952 500mA 升壓-降壓型 LED 驅(qū)動器與 LT3965 8 開關矩陣式 LED 調(diào)光器和兩個 RGBW 500mA LED 組配合使用。這種新型拓撲能夠在 0 至 8 個串聯(lián) LED的整個范圍內(nèi)平滑運行，這時電壓范圍為 0V 至 25V。瞬時串聯(lián) LED 電壓在變化，大小取決于在任意給定瞬間，矩陣式調(diào)光器啟動了哪些 LED 以及多少 LED。這個轉(zhuǎn)換器 / 拓撲的 60V OUT 電壓 (VIN 和 VLED 之和) 以及轉(zhuǎn)換器的占空比是在 6V 至 20V 的整個輸入范圍內(nèi)以及 500mA 時 0V 至 25V 的輸出電壓 (LED 串聯(lián)電壓) 范圍內(nèi)規(guī)定的。
這種升壓-降壓型浮置輸出拓撲使用 LT3965 矩陣式調(diào)光器能夠很好地運行。這款矩陣式調(diào)光器通過用并聯(lián)功率 MOSFET 對 LED 電流分流來控制 LED 亮度。這些 LED 不需要連接至地。只要 LT3965 的 VIN 引腳連至 SKYHOOK (其電壓至少比 LED+ 高 7.1V)，所有并聯(lián) MOSFET 就都正常運行。SKYHOOK 可以用一個由開關轉(zhuǎn)換器構(gòu)成的充電泵提供，或者可以用一個穩(wěn)定電源供電。采用 3mm x 2mm DFN 封裝的纖巧 LT8330 升壓型轉(zhuǎn)換器是個很好的選擇以產(chǎn)生 SKYHOOK。
一種可選的外部時鐘器件可用來將系統(tǒng)同步至 350kHz，這適合汽車環(huán)境，效率相對較高，允許使用緊湊型組件。盡管這種系統(tǒng)也可以在 2MHz (高于 AM 波段) 運行，但是當所有 LED 都通過矩陣式調(diào)光器短路且 LED 串電壓降至 330mΩ • 500mA • 8 = 1.3V 時，350kHz (低于 AM 波段) 使這款升壓-降壓型轉(zhuǎn)換器無需采用脈沖跳躍模式就能夠穩(wěn)定。這個頻率也支持高調(diào)光比，而且沒有可見 LED 閃爍。
既然每個 RGBW LED 都設計為單點光源，那么紅、綠、藍和白光相結(jié)合可產(chǎn)生各種色彩，而且飽和度、色彩和亮度可控。每個 LED 都可在 0 (0/256) 至 100% (256/256) 之間以 1/256 步進設定。
準確的 0 至 256 種 RGBW 色彩和亮度控制
通過對單獨的紅、綠、藍和白光組件 LED 進行 PWM 調(diào)光，RGBW LED 可產(chǎn)生準確的色彩和亮度。單獨的 PWM 亮度控制可支持 256:1 或更高的調(diào)光比。一種可替代 PWM 調(diào)光的方法是簡單地降低每個 LED 的驅(qū)動電流，但是這種方法的準確度受限，因此僅允許 10:1 的調(diào)光比，并導致 LED 本身的色移。在色彩和亮度的準確度方面，采用 PWM 調(diào)光的矩陣式調(diào)光方法表現(xiàn)好于驅(qū)動電流方法。
LED 驅(qū)動器的帶寬和瞬態(tài)響應影響色彩準確度。在超過 10kHz 交叉頻率以及使用很小的輸出電容器或沒有輸出電容器的情況下，當矩陣式調(diào)光器接通和斷開其開關時，緊湊的升壓-降壓型轉(zhuǎn)換器快速響應所驅(qū)動的 LED 數(shù)量的變化。
為了說明這一點對準確度而言有多重要，讓紅、綠和藍光 LED 以不同的 PWM 占空比單獨運行，并用一個 RGB 光傳感器測量其光輸出。圖 3 中的結(jié)果顯示，每種色彩從 4/256 至 256/256 有一致的斜率，低于這個范圍時，斜率有輕微變化。當然，紅、綠和藍光 LED 在色彩性能方面也不是完美的，因此，甚至僅驅(qū)動一種色彩的 LED 時，有些色彩還是會從其他波段泄漏出來。總體而言，這是一個高度準確的系統(tǒng)。
圖 3：當與圖 1 所示 LT3952 升壓-降壓型 LED 驅(qū)動器一起使用時，紅、綠、藍和白光亮度控制
與 0 至 256 (總共 256) 種由矩陣式 LED 調(diào)光器控制的PWM 調(diào)光占空比。
使用帶寬非常大 (>40kHz) 之 LT3952 LED 驅(qū)動器的降壓型轉(zhuǎn)換器版本，準確度直至 1/256 都可以改善，但是這或者涉及增加另一個升壓型轉(zhuǎn)換器以產(chǎn)生穩(wěn)定和高于 30V 輸出電壓所帶來的費用增加，或者涉及需要一個高于 30V 的輸入電壓源。除非在很低的光輸出時必須有很高的準確度，幾乎沒有理由增加一個額外的轉(zhuǎn)換器，而放棄升壓-降壓型驅(qū)動器的通用性、簡單性和緊湊的尺寸。
LT3965 的 256 級調(diào)光方法非常容易轉(zhuǎn)換成典型的 RGB 著色程序和常見的混色算法。例如，如果你打開一個標準 PC 著色程序，那么你會看到，色彩是用一個 256 個值的 RGB 系統(tǒng)混合的。圖 2 中的 LED 電流波形從一個由基本 PC 著色程序控制的 RGBW 矩陣式 LED 系統(tǒng)產(chǎn)生紫色光。因為本文介紹的設計產(chǎn)生準確的電流驅(qū)動和 PWM 控制，所以通過調(diào)節(jié)組件 LED 的占空比，就能夠以可預測的方式校準 RGBW LED 的色彩，從而非常容易地考慮到 LED 亮度的固有變化。
結(jié)論：LT3965 矩陣式 LED 調(diào)光器可與 LT3952 升壓-降壓型轉(zhuǎn)換器一起使用，以構(gòu)成一個色彩準確的 RGBW LED 混色系統(tǒng)。該器件還可用來在 6V 至 20V 輸入范圍內(nèi)，以 350kHz 開關頻率，在 500mA 時驅(qū)動兩個 RGBW LED 組。升壓-降壓型 LED 驅(qū)動器拓撲 (正在申請專利) 的快速瞬態(tài)響應，加之通過 256:1 I2C 控制的矩陣式系統(tǒng)實現(xiàn)之可預測調(diào)光控制，就可以產(chǎn)生很高的色彩準確度。 |
