为LED驱动电路提供额外的PWM亮度控制

PWM亮度控制的中心议题：
    * PWM仿真
    * LED电源的开关控制
    * 主控与各端口的分层控制

这篇应用笔记介绍了几种为LED驱动芯片添加额外的PWM亮度调节功能的方法，并在几款固定电流LED驱动器(内置或外置PWM)上进行了验证。 类似文章发表在2010年5月出版的Electronic Products杂志。

引言

Maxim Integrated Products为很多应用领域提供PWM (脉宽调制)亮度调节LED (发光二极管)驱动器。典型应用中，通过串口向LED驱动器发送指令改变相应LED的寄存器值进行亮度调节。用于亮度控制的数据通常为4位至8位，对应于16至256个亮度等级；有些Maxim的LED驱动器的亮度控制则通过调整漏极开路LED端口的恒定吸入电流大小来实现。

该应用笔记讨论如何在LED恒流驱动器上加入PWM亮度调节，通过控制LED电源的通、断调节亮度。也可以通过刷新数据位仿真外部PWM亮度控制。内置PWM的LED驱动器也可以通过外部PWM实现亮度调节，只要PWM信号的外部时钟可以同步。

PWM仿真

按照一定周期向LED驱动器发送开/关控制信号，可以仿真PWM亮度调节的效果。因为LED数据接口的传输速率远远高于PWM信号的频率，可以使用微控制器或FPGA (现场可编程门阵列)很容易地仿真PWM调光方式。PWM开关频率、数据传输的时钟频率和PWM亮度等级之间的关系如式1所示： 


 
其中，f_CLOCK为数据接口的时钟频率，f_PWM为PWM频率，n_PORT为控制端口数，n_LEVEL为亮度等级。

在该项技术中，PWM仿真数据由控制器连续发送到LED的每个端口，每个端口1位。所有端口更新一次即为PWM的一个台阶。从索引值1开始重复仿真PWM台阶，直至索引值等于设定的亮度等级，形成一个PWM周期。例如，如果亮度等级为256，每个端口刷新数据256次构成一个PWM周期。如果对应端口的亮度等级高于PWM仿真台阶的索引值，数据为1；否则数据为零。只要LED保持点亮状态，则始终重复PWM仿真周期。

该PWM仿真控制可以由下列C程序实现：
int INTENS[8] = {200, 100, 50, 25, 12, 6, 3, 1};
bool LEDON = true, DATA[8];

while (LEDON) {
 for {int i=0, i<256, i++} {
  for {int j=0, j<8, j++} {
   if INTENS[j]>i
    DATA[j]=1;
   else
    DATA[j]=0;
  }
  Send(DATA);
 }
}

PWM仿真技术适用于MAX6968和MAX6969。MAX6968为8端口LED恒流驱动器，数据接口传输速率可达25Mbps；MAX6969是MAX6968的16端口版本。利用这一方法可以实现16位或65,536级亮度控制，MAX6968的PWM频率可以设置在47Hz，MAX6969的PWM频率可以设置在24Hz。如果只要求12位的亮度控制分辨率，对应的PWM频率可以分别设置在752Hz和376Hz。PWM仿真技术无需对电路进行任何修改即可实现每个驱动口的亮度控制。

LED电源的开关控制

通过对LED电源进行开、关控制也可以实现LED的PWM亮度调节。图1所示电路利用PWM控制电源为LED提供额外的亮度调节。微处理器向LED驱动器发送I²C命令产生PWM信号，PWM波形可以由软件控制。这种方式适用于具有恒流LED端口，但没有内部亮度调节功能的MAX6969，以及带有可调节恒流LED端口的MAX6956。该方案通过一个晶体管控制PWM信号的占空比，达到亮度调节的目的。LED亮度可由微处理器通过LED驱动器间接地控制，也可以由晶体管直接控制。以MAX6956为例，恒流驱动与PWM占空比调节相结合，无需任何其它电路介入。

图1. 采用PWM控制LED电源实现亮度调节

图2所示电路采用MOSFET晶体管作为开关器件，有助于提高效率。

图2. 功率MOSFET作为开关器件

利用下式计算外部晶体管的功耗： 
 
其中，t_RISE为晶体管的上升时间，t_FALL为晶体管的下降时间，T为PWM周期，t_ON/T为PWM亮度等级，I为LED总电流，R_ON为晶体管的导通电阻。

式2给出了晶体管开关损耗与导通损耗之和，开关损耗由开/关时间决定。当晶体管闭合或断开时，在晶体管两端电压从零上升到VLED的过程中，或者是在反方向变化时，几乎所有电流流过晶体管。

使用高速开关晶体管时，上升时间和下降时间通常为50ns。对于周期(T)为1/1000秒的PWM、LED电压(V_LED)为5.5V、LED总驱动电流为200mA时，晶体管总功耗为： 
 
若晶体管导通电阻为0.1Ω，则晶体管在最高亮度时的导通功耗为：
 
从式4可以看到，合理选择高速开关晶体管，能够将损耗降至最小。

主控与各端口的分层控制

有些LED驱动器的PWM亮度控制可以通过主控与各端口之间的分层控制实现。例如，MAX6964、MAX7313、MAX7314、MAX6965、MAX7315和MAX7316。如图3所示，各端口的PWM亮度控制波形重复多次。每重复一次相当于一次主机控制。由此，如果主机控制15级亮度调节，则控制波形重复15次。LED驱动器各端口的控制信号决定了波形的占空比。主控信号决定控制波形的重复次数。比如：某个端口的占空比为3/16，主控设置为4/15。波形的导通时间占整个周期的3/16，波形在全部15个时隙的前4个时隙重复。

图3. 主控和各端口的PWM亮度分层控制

遗憾的是，一个MAX6964的主控信号不能与另一MAX6964的端口信号相组合，以构成多芯片链路机制。因为，多个MAX6964之间无法实现时钟同步；每个端口的PWM控制导通时间不能与主控制器亮度调节信号的通/断时间窗口保持一致。如果时钟信号的边沿无法对齐则无法同步控制亮度，LED会变暗。由于时钟之间的相位偏差，也会导致LED周期性地闪烁(通、断)。

分层PWM亮度调节方案可以通过LED驱动器避免闪烁问题，适用于MAX7302等具有时钟同步机制和较宽的时钟频率范围的器件。图4给出了利用两片MAX7302和开关晶体管实现PWM亮度分层控制的典型电路。


图4. 利用两片MAX7302实现PWM亮度分层控制

其中一片MAX7302的输出端口连接在LED的阴极，每路输出端口作为一个独立的亮度控制端口。另一片MAX7302的输出通过外部晶体管连接在LED的阳极，这一MAX7302作为亮度主控制器。每个端口的亮度控制由外部1MHz高频时钟驱动，这是MAX7302工作时钟的上限。例如，将一个端口的亮度等级设置为15/33时，P2亮度控制端口输出作为主控制器的时钟输入。得到的主控制器等效时钟频率约为1000000/33 = 30kHz。该应用实例中，每个亮度控制端口可以用于调节RGB LED的颜色，而主控制器用来调节亮度。