一款I(lǐng)2C接口的LED驅(qū)動器設(shè)計與應(yīng)用

目前，通過芯片本身能驅(qū)動的每個LED電流范圍為25mA到100mA之間。當(dāng)然，對于一些大電流的應(yīng)用場合，我們只需用外加場效應(yīng)管的方式來實現(xiàn)。

LED無疑是當(dāng)前最熱的一個應(yīng)用，無論是手持設(shè)備、游戲機(jī)、霓虹燈、廣告牌等等，眩目的色彩及高質(zhì)的光亮，總能第一時間吸引人的眼球。在當(dāng)前眾多的LED控制器面前，如何選擇一款功能豐富且性價比又高的產(chǎn)品來迎合自己的設(shè)計，無疑是擺在每個設(shè)計師面前的問題。

最簡單的LED驅(qū)動，我們可以用普通的I/O來實現(xiàn)。但I(xiàn)/O控制只能實現(xiàn)LED 的ON與OFF,無法用來進(jìn)行混光、閃爍等功能，而且每個LED都需要占用一個單獨的I/O資源，無疑性價比很低。我們也可以用專用的大電流LED控制器來設(shè)計，但昂貴的成本首先會成為問題，而且設(shè)計復(fù)雜，程度也會跟著各種干擾的出現(xiàn)相應(yīng)地提高?；谶@些，恩智浦(NXP)推出一系列使用I2C接口的LED驅(qū)動器，它可以通過I2C接口的兩根線，去同時控制從4個到24個不等LED的ON/OFF、閃爍及RGB混光。在混光方案里，每個LED都是由一個獨立的8bit/256階PWM來驅(qū)動。

這種基于I2C的LED控制方式，增加了設(shè)計的方便性與靈活性，而且也會減少在軟硬件方面的投入，使披著神秘面紗的LED對我們來講頓時顯得簡單和精彩。下面，我們將會以恩智浦LED驅(qū)動器PCA9633為例，通過幾個簡單的應(yīng)用來全面闡述這種LED驅(qū)動器的優(yōu)勢所在。

PCA9633是四路LED驅(qū)動器，且每路可驅(qū)動最大25mA電流，并根據(jù)封裝的不同提供了可選的固定I2C地址和帶4位或7位硬件可編硬件地址。如下圖所示。

從圖1我們可以看到，每一路LED都是由一個單獨的8bit/256階的PWM來控制，且由于PWM足夠快，使其理論上可以通過它所驅(qū)動的四個LED混出任意顏色的光。除了每一路單獨的PWM,PCA9633還提供了一個Group PWM,通過它我們可以用來控制所調(diào)混色光的亮度及頻率，彌補(bǔ)了只調(diào)單個PWM不能實現(xiàn)的一些功能。那么PCA9633究竟如何來實現(xiàn)調(diào)光呢?秘密還是在PWM上面。如果不使用PWM,那么它只能完成開和關(guān)的動作;低速的PWM只能實現(xiàn)LED閃爍，并不足以達(dá)到混色的目的;高速的PWM就可以實現(xiàn)RGB混色;如果PWM速度可控，那么就可以實現(xiàn)閃爍和混色的雙重功能。而且通過可控的8bit/256階PWM,加大了色階提升了色彩的層次感。見下圖2所示。

知道了混色的原理，那么一個具體的色彩又是如何產(chǎn)生的呢?我們知道人眼對色彩的感知是各種色彩亮度均值的疊加，我們可以通過控制PCA9633每個PWM的占空比，去控制所驅(qū)動LED的亮度。根據(jù)三基色原理，如果我們驅(qū)動的是RGB(或者RGBA)LED,那么通過調(diào)節(jié)這三個LED的不同光亮，就可以得到所要的色彩。圖3是PCA9633控制RGB三個LED來調(diào)粉色光的例子。

通過以上的描述，我們基本知道了PCA9633的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和驅(qū)動原理。下面我們將會以PCA9633固定I2C地址的幾個應(yīng)用，來進(jìn)一步理解這種LED控制器的優(yōu)勢所在。

第一個應(yīng)用，我們將用PCA9633來控制亮度條。我們知道一般像亮度條這樣的應(yīng)用，往往需要用到大量LED串聯(lián)來進(jìn)行。如果用單個接口去控制每個LED,會使成本和軟件復(fù)雜度大大增加。而通過I2C,在硬件上只需要兩條控制線，在軟件上只需發(fā)一條字節(jié)命令，就可以輕松進(jìn)行操控。除此之外，由于I2C器件地址的唯一性，可以按所驅(qū)動LED的數(shù)量使用幾個PCA9633來進(jìn)行控制。如果實際應(yīng)用中PCA9633本身的驅(qū)動電流不夠，只需在外圍加一個FET就可以輕松解決。另外，PCA9633獨有的Group PWM使得控制整個亮度條的光強(qiáng)和閃爍變的得心應(yīng)手。下面是其原理圖(見圖4)，其中I2C master由系統(tǒng)提供，可以是MCU,也可以是邏輯電路。

圖4中左半部為I2C的master,不作細(xì)述。右邊最上為LED限流電阻，通常LED的前向電壓為3V左右，根據(jù)不同的顏色和制造工藝會有一些差別。我們可以通過所需LED電流去計算這個限流電阻的值：R=(Vsupply-Vfsum)/If.如果所需的LED電流大于25mA,那么圖中所加的FET可以輕松解決這一問題。當(dāng)我們外加了FET以后，只需把PCA9633的相應(yīng)寄存器的OUTDRV設(shè)為高就可以了，以區(qū)別于它的默認(rèn)值?，F(xiàn)在我們可以看到用PCA9633去控制如此多的LED,原理圖相當(dāng)簡潔，同樣在軟件設(shè)置寄存器上也同樣方便。PCA9633提供了簡易且完整的內(nèi)部寄存器，例如LED輸出結(jié)構(gòu)設(shè)置、節(jié)電模式設(shè)置、芯片使能模式設(shè)置、LED的輸出狀態(tài)設(shè)置，以及每個PWM和Group PWM的控制寄存器設(shè)置等。除此之外，PCA9633還提供了一個寄存器設(shè)置遞增位，也就是說如果我們設(shè)置了這一位，那么我們可以通過一個指令序列來完成內(nèi)部所有寄存器的順序配置，這在一些特定的應(yīng)用中是非常有用的，能最大程度節(jié)省軟件和系統(tǒng)資源。下面，我們將通過另外一個例子來說明內(nèi)部寄存器的設(shè)置。

第二個例子是我們用PCA9633來完成呼吸燈的功能。雖然PCA9633內(nèi)部不帶呼吸燈模塊，但我們可以通過一些簡單的寄存器設(shè)置來實現(xiàn)這個功能，這樣相比于專用的呼吸燈芯片在成本上無疑有很大的優(yōu)勢。為了便于說明，我們只用PCA9633來控制一個LED的呼吸動作，原理圖很簡單，在此略去，通過控制這一個LED的漸亮與漸暗過程以達(dá)到呼吸的目的。要實現(xiàn)這個功能，PCA9633的獨立PWM將是最主要的因素。如前我們已經(jīng)提到每個LED都是由一個8bit/256階PWM來控制，那么也就是說，每個燈有256段亮暗色階可調(diào)，可以完美實現(xiàn)呼吸功能。具體，我們通過控制PWM的占空比來完成。如果我們的LED是由PCA9633的PWM0來控制，那么PWM0的占空比將決定這個LED的亮度：Bright(duty cycle)=PWM0[7:0]/256.

到此，一個完整的呼吸過程就完成了，用幾個簡單的寄存器設(shè)置，就完成了看起來似乎只有用復(fù)雜系統(tǒng)或?qū)Ｓ眯酒拍茏龅氖虑?。從以上兩個例子，我們可以看到用恩智浦的I2C LED驅(qū)動器，不論是硬件上還是軟件上都是非常簡單和易操作的，而且用此類器件所能實現(xiàn)的功能，絲毫不比一些系統(tǒng)和專有芯片遜色。

總之，I2C LED驅(qū)動器提供了高性價比的LED設(shè)計方案，相比于用GPIO或?qū)Ｓ肔ED驅(qū)動器，不僅節(jié)省了系統(tǒng)資源，也使設(shè)計的成本和復(fù)雜度大大減少，并可以有效提高設(shè)計的可靠性和驅(qū)動光的均勻性。此外，采用此類LED驅(qū)動器，可以很有效地幫助我們減少設(shè)計周期并提升設(shè)計靈活性。