利用MAX6972–MAX6975 LED驱动器消除彩色LED显示系统中的假像电流

LED驱动器消除彩色LED显示系统假像电流的中心议题：
    * 复用LED电路设计产生LED假象电流的问题
LED驱动器消除彩色LED显示系统假像电流的解决方案：
    * 利用MAX6972–MAX6975系列脉冲宽度调制LED驱动器

摘要

复用LED驱动器有助于提高效率，降低成本；然而设计复用LED电路比较棘手。设计不好的电路会在实际应用中产生不需要的LED电流和假像。本应用笔记详细介绍了与复用LED相关的问题，解释怎样利用MAX6972–MAX6975系列脉冲宽度调制LED驱动器消息电路板来克服这些问题。

注：符号“/” (/MUX1和/MUX0)表明MUX1和MUX0引脚的低电平有效功能。

引言

MAX6972–MAX6975是恒流LED驱动器，用于高速彩色和视频显示电路板。MAX6972/MAX6973可直接驱动16个LED，或者32个复用LED，而MAX6974/MAX6975可直接驱动24个LED，或者48个复用LED。复用工作的好处是加倍了每个驱动器驱动的LED数量，因此，切实降低了成本。

然而，设计不好的LED复用电路会产生假像。LED处于关断状态(即，没有电流流过)，当杂散电流流过LED时会出现假像；这导致非常微弱的显示或者假像。这些假像电流一般来自和LED共阳极长走线相关的离散电容，以及本身略有前向偏置的LED导致的离散电容。通过仔细的复用电路设计，MAX6972–MAX6975系列恒流LED驱动器可以防止显示系统中出现这种假像。

典型复用电路

图1所示为MAX6972–MAX6975 (也称为MAX6972和MAX6974评估板)典型的复用电路。


图1. 典型复用电路，/MUX0驱动红色LED，/MUX1驱动绿色LED

复用晶体管(Q1和Q3)被MAX6972–MAX6975交替接通，而恒流吸收驱动引脚(OUT0–OUTn)交替控制两个状态之间的设置。在状态1，/MUX1为低电平，Q1接通，节点A被上拉至VLED，因此，将所有的绿色LED阳极连接至LED电源。同样的，在状态0，/MUX0为低电平，Q3接通，将所有的红色LED连接至VLED电源。/MUX0和/MUX1输出通过开漏驱动电路，吸收流过562Ω电阻的基极电流，接通pnp晶体管。当/MUX0和/MUX1关断时，开漏输出实际是开路电路，使基极发射极电阻(每个为182Ω)能够关断pnp晶体管。在每一/MUX0和/MUX1状态之间，Q1和Q3都关断16个内部时钟周期(CLKI)，如图2中的tEMUX所示。


图2. MAX6972–MAX6975的复用时序

典型电路中的假像电流

当复用状态从/MUX0变到/MUX1时，杂散电流会导致出现假像，反之亦然。复用电路的LED是不同颜色(发光波长)时，这种效应最为明显，因此，在某些电流情况下，电压降会有很大的不同。

为简单起见，在后面的讨论中简化了图1复用电路，只显示一个红色和一个绿色LED。在下面的例子中，/MUX0通过Q3来驱动红色LED，/MUX1通过Q1来驱动绿色LED。

LED的电压降是：
VRED = 2.0V
VGREEN = 3.1V

电源是：
V+ = 3.3V
VLED = 5.0V

状态0可以很好的描述具有不同前向电压降复用LED导致的杂散电流，其中/MUX0被置位为低电平，红色LED点亮(图3)。


图3. /MUX0被置位低电平，红色LED在状态0中被点亮

Q3接通后，红色LED (节点B)阳极被上拉至4.9V。电流流过工作端口(即，驱动LED任意PWM周期的通道)的红色LED和恒流驱动器(OUT0)。节点B (显示为集总参数CB)的杂散电容被充电至4.9V。LED阴极被强拉至以下电压，大约等于：

4.9V - VRED = 2.9V                             (式1)

状态0结束时，OUT0驱动器停止工作，/MUX0变为高电平(无效)，从LED电源断开阳极电压。由于没有放电通路，红色LED PN结上的电压仍旧保持接近2.0V前向电压降。同样的，由于没有放电通路，杂散节点电容上的电压VCB仍保持为4.9V。这一电压状态在16个CLKI周期的中间状态阶段保持不变。

当状态1开始时，/MUX1被置位为低电平，Q1接通，绿色LED的阳极被连接至5V，所选LED的OUT0电流驱动器开始工作。最终稳定状态如图4所示。


图4. 在状态1，通过Q1和OUT0点亮绿色LED

阴极电压低于绿色LED电压降，大约等于：

4.9V - VGREEN = 1.8V                            (式2)

红色LED阴极上的1.8V电压表明阳极不能高于1.8V + VRED = 3.8V。在状态1开始时，共阴极电压(图中的OUT0电压)必须从2.9V变到1.8V。这一电压变化要求CB从4.9V放电至3.8V，甚至更低。流过红色LED的CB放电电流导致显示微弱闪烁，如图5所示。


图5. 从状态0到状态1的复用转换期间，杂散节点电容CB至红色LED放电通路导致显示的微弱闪烁。

在前面的状态中，无论红色LED接通还是关断，一直会有CB放电电流。在状态0，节点B的电压总是被充电至4.9V。由于共享共阴极连接时，VRED小于VGREEN，节点B将通过红色LED放电。取决于各种LED上前向电压降的略微不同，CB放电会导致一个或者多个红色LED的微弱闪烁，如图1所示。

消除假像电流

为杂散节点电容提供一个放电通路以及有足够的时间进行放电，可消除假像电流。这可以通过加入电阻R1和R2来实现，如图6所示。在复用状态的空闲周期中，选择合适的电阻值来实现足够的放电。


图6. 为杂散节点电容CB和CA加入电阻R1和R2，提供放电通路。

调整电阻R1和R2，在中间状态间隔对节点A和B进行放电，防止开始下一工作周期时的LED前向偏置。在所示的例子中，开始状态1之前，节点B必须由4.9V放电至低于3.8V。

由系统时钟频率控制中间状态时间，最大时钟频率为33MHz。采用这一最大频率，可以确定R2值。

中间状态时间(图2中的tEMUX)来自系统时钟频率：

tCLKI = 1/33MHz = 30.3ns                           (式3)

以及

tEMUX = 16 × tCLKI = 485ns                           (式4)

每个LED为150pF (来自走线、封装引线和LED PN结少量偏置的组合电容)，乘上每个节点的8个LED，可估算出大概的杂散阳极电容：

CB = CA = 150pF × 8 = 1.2nF                           (式5)

将上面的数值代入到该方程中，可以估算出CB所需要的放电电流：

IDIS_B = CB × ΔVCB/Δt                           (式6)

将上面的数值代入到该方程中，可以估算出CB所需要的放电电流：

IDIS_B = 1.2nF × (4.9V - 3.8V)/485ns

IDIS_B = 2.7mA

在需要范围内以最低电压产生额定2.7mA放电电流的电阻值为：

R2 = 3.8V/2.7mA                           (式7)

R2 = 1.4kΩ

可以对IDIS_A和CA进行相同的计算。然而，由于LED前向电压降作用不同，假像电流在状态1到状态0转换时会有不同的影响。在图6电路中，可以看出，状态1至状态0转换时，不会出现假像电流。然而，R1和R2的值相同，/MUX0和/MUX1状态之间的红色和绿色LED可间插使用。


图7. 在中间状态空闲时间tEMUX，杂散电容CB通过R2放电，不会影响通过LED的校准恒流驱动。

电阻R1和R2为每一状态期间的晶体管Q1和Q3加入一个较小的电流负载：

IRn = 4.9V/1.4kΩ = 3.5mA                           (式8)

电流并没有流过恒流驱动器输出OUT0，也没有流过LED，因此，不会影响经过校准的LED电流。

结论

MAX6972–MAX6975复用电路可确保中间状态驻留时间，用于杂散节点电容放电，从而消除了复用显示系统的假像电流。每个MAX6972–MAX6975器件以非常小的成本加入两个电阻，保证了清晰的图像显示，不会产生假像。