用集成式 8 開關無閃爍驅動器 控制矩陣式 LED 前燈中的單個 LED

　　LED 兼具設計靈活性和堅固、實用的電路，使汽車設計師能夠用其設計引人注目和具備極長壽命和高性能的前燈。汽車設計師越來越多地在照明系統(tǒng)中采用 LED，因為 LED 可用來產生獨具特色、引人注目的設計，有助于區(qū)分新型號和老型號，或者區(qū)分高端車型和經濟車型。

　　毫無疑問，汽車 LED 照明時代已經來臨，但是尚未發(fā)揮出最大潛力。未來車型將采用更多 LED 燈，LED 燈將有新的形狀和顏色，對單個 LED 的控制將增強。簡單的 LED 串將讓位于 LED 矩陣，通過電腦控制可以對矩陣中的每一個 LED 單獨地調光，從而能夠實時實現無限多種生動的照明圖案。這種未來已經近在咫尺：凌力爾特公司的 LT3965 LED 矩陣驅動器使汽車照明設計很容易再向前邁進一步。

　　用單個 IC 通過 I2C 控制 8 個功率開關

　　基本的 LED 前燈設計采用一致的 LED 電流，因此亮度也是一致的。但是這種方法將 LED 潛能的很大部分留了在紙面上。矩陣式前燈能夠通過控制 LED 串中單個 LED 的亮度，因而利用了 LED 與生俱來的優(yōu)勢。

　　從理論上說，利用電腦控制的功率開關以控制 LED 矩陣中的單個 LED 并不困難，從而讓單個 LED 接通或斷開，或對單個 LED 進行 PWM 調光，以產生獨特的照明圖案和功能。每個 LED （或 LED 串中的一段） 需要使用自己的轉換器，或者使用自己的并聯功率開關?？梢杂镁邆浯型ㄐ殴δ艿膫鹘y(tǒng)驅動器 / 轉換器 IC 建立一個矩陣驅動器，不過一旦 LED 矩陣需要兩個或 3 個以上的開關時，設計一個由分立式組件組成的解決方案就變得富挑戰(zhàn)性了，因為需要使用一個尺寸大于 LED 矩陣的組件矩陣。

　　LT3965 I2C 8 開關矩陣式 LED 調光器使得很容易控制大型或小型 LED 矩陣 （可多達 512 個 LED）。圖 1 顯示了在凌力爾特演示電路板 DC2218 上運行的 LT3965。

　　圖 1：LT3965 LED 矩陣調光器演示電路板 DC2218 作為 Linduino™ （DC2026） 的屏蔽罩使用。這個演示電路板驅動前燈、轉向信號燈、尾燈和裝飾燈，可通過 USB 電纜連接到凌力爾特圖形用戶界面，以進行評估。

　　高度集成的設計 （參見圖 2） 最大限度減少了所需組件?？蓡为毜貙ぶ返?LT3965 通道可以很多方式控制 LED 矩陣，包括：

　　每個 LT3965 可控制 8 個調光通道，即一個 LED 串中的 8 個 LED 或 8 段 LED。

　　8 個通道可控制兩個 RGBW LED 模塊上單獨的紅、綠、藍和白光，以調節(jié)亮度、改變儀表板或裝飾照明系統(tǒng)的色彩。

　　多個 LT3965 可以通過單一通信總線單獨地尋址，以成倍增加大型陣列中的 LED 串數目。

　　LT3965 的每個通道可控制多個 LED，或者多個通道可以組合，以高效地控制在較大電流的單個 LED。

　　圖 2：LT3965 60V 8 開關 LED 矩陣調光器方框圖，包括 8 個功率 NMOS 并聯開關以用于亮度控制、一個故障標志和 I2C 串行通信接口。

　　當與合適的恒定電流 LED 驅動器結合使用時，矩陣調光器 LED 驅動器允許電腦控制前燈、白天行車燈、剎車燈和尾燈、側彎燈、儀表板顯示器以及其他裝飾照明系統(tǒng)中的單個 LED。LT3965 內置的自動故障檢測功能在發(fā)生故障時保護單獨 LED，并向微控制器報告故障情況。

　　60V LT3965 包括 8 個集成的 330mΩ 功率開關，這些開關可連接一個或多個 LED。這些功率開關作為并聯器件使用，斷開特定通道上的 LED 或對這些 LED 進行 PWM 調光。這些開關形成了 8 個可單獨地控制亮度的通道 （調光比高達 256:1） 和一個 LED 串上 8 個不受故障影響的 LED 段。

　　當所有 8 個功率開關同時接通時 （所有 LED 都關閉），LT3965 可應對 500mA LED 串電流。這些開關可以并聯連接，使 1A 電流通過 4 個 LED 通道，如本文稍后所示。不管 LED 數量多少或電流大小，LED 串都必須由恰當設計的轉換器驅動，該轉換器的帶寬必須能夠應對矩陣調光器的快速瞬態(tài)。本文中將探討一些參考設計。

　　“升壓然后雙降壓模式” 轉換器 LT3797 以兩個 LT3965 在 500mA 驅動兩個 LED 串，總共 16 個 LED

　　LT3965 的 8 個并聯功率開關控制在 500mA 的 8 個 LED 通道之亮度。8-LED 矩陣調光器系統(tǒng)的 LED 串電壓可能在 0V 至 26V 之間，取決于在給定時間內有多少 LED 接通或斷開。要驅動這些 LED，建議使用大帶寬、以及不用輸出電容器或輸出電容器很小的 30V 降壓型轉換器。這種降壓型拓撲要求，9V 至 16V 汽車輸入是 “預先升壓”至 30V 軌，然后降壓型穩(wěn)壓器能夠運作。

　　三輸出 LT3797 LED 控制器可以很方便地作為“預先升壓”然后降壓的單個 IC 解決方案使用。該器件的一個通道可以配置為升壓型穩(wěn)壓器，之后跟隨的是其余兩個通道，配置為降壓型 LED 驅動器。兩個降壓型 LED 驅動器的每一個可驅動一串矩陣式調光 LED。這種拓撲有很多優(yōu)勢，最顯著的是，無論 LED 串的電壓高于還是低于電池電壓，該電路都會持續(xù)以最佳模式運行。

　　圖 3 顯示了圖 1 所示演示電路板的原理圖，包括一個 “升壓然后雙降壓模式” 轉換器 LT3797 和 LT3965 矩陣式前燈調光系統(tǒng)，該系統(tǒng)共有 16 個 LED，以 500mA 電流運行。每個 LED 可單獨地控制以接通、斷開或 PWM 調光至低達 1/256 亮度。LT3797 的 350kHz 開關頻率位于 AM 頻帶以外 （可以很好地降低 EMI），從同一 350kHz 時鐘產生的 LT3965 170Hz PWM 調光頻率位于可見光頻率范圍以外。憑借正確的系統(tǒng)同步，采用 LT3797 和 LT3965 的矩陣式前燈可以無閃爍運行。

　　圖 3： LT3965 LED 矩陣調光器系統(tǒng)采用了“升壓然后雙降壓模式”LED 驅動器 LT3797，兩個 LT3965 矩陣調光器以汽車電池提供的 500mA 電流驅動16 個 LED。I2C 串行通信接口用于控制單個 LED 的亮度和檢查 LED 及通道故障。

　　LT3797 降壓模式轉換器為應對極快的瞬態(tài)而優(yōu)化，使用很小的輸出電容器或不使用輸出電容器，具備恰當補償的控制環(huán)路。這些帶寬 》30kHz 的轉換器可耐受 LED 接通和關斷以及隨意性 PWM 調光時產生的快速 LED 瞬變。布設在 LED 檢測電阻器上的一個濾波電容器取代了控制系統(tǒng)中的一個極點，當為實現矩陣式調光器的快速瞬態(tài)性能而減少或去除輸出電容器時，該極點會丟失。

　　從開關節(jié)點引出的一個充電泵用于把 LT3965 VIN 引腳供電至比 LED+ 電壓高 7V，以使上管通道 NMOS 在被驅動時得到全面強化。LT3965 中的低 RDS（ON） NMOS 開關可實現高功率運作而不使 IC 變熱，即使在所有 8 個并聯開關均導通以關閉整個 LED 燈串時也不例外。在該場合中，LT3797 LED 驅動器可安全經受由所有 8 個并聯開關所造成的虛擬輸出短路而不發(fā)生任何問題，并且能容易地通過下一個接通的 LED 快速地調節(jié) 500mA。

　　演示電路 DC2218 （圖 1 所示） 采用了圖 3 所示系統(tǒng)，并通過 Linduino™ One 演示電路DC2026，用所連接的 I2C 微控制器控制一個矩陣式前燈。DC2218 用作一個大型 Linduino 屏蔽罩，串行碼流速率高達 400kHz，可產生不同的前燈照明圖案，并與凌力爾特的圖形用戶界面 （圖 4） 接口。

　　圖 4：基于 PC 的界面使設計師能夠控制并監(jiān)視由 LT3965 驅動的 LED。

　　在圖 4 所示的圖形用戶界面 （GUI） 中，LED 亮度和故障保護功能可以用 ALL CHANNEL MODE 和 SINGLE CHANNEL MODE 命令檢查，并用 FAULT CHECK 讀和寫命令檢查 LED 開路和短路狀態(tài)。無閃爍運行、故障保護以及瞬態(tài)運行都可以用這個演示電路系統(tǒng)檢查。DC2218 可以直接插入 12V DC 電源，而且可以由一個運行該 GUI 的個人電腦控制，或者通過一個簡單的USB 連接重新設定。

　　采用并聯通道的 1A LED 矩陣驅動器

　　LT3965 可用來驅動 1A LED 通道矩陣。并聯連接 LT3965 的功率開關很容易，這樣兩個功率開關就可以均分 1A LED 電流，而每個 LT3965 則控制 4 個 1A 通道。用并聯功率開關提供較大電流的一種方式是，每個反相并聯開關僅在 50% PWM 周期內運行。由于交替運行，單個 NMOS 功率開關僅在一半時間內通過 1A 電流，所以與同樣一個 NMOS 功率開關在全部時間內通過 500mA 電流相比，實際產生的熱量大約相同。

　　圖 5 顯示了一個 1A 矩陣式前燈系統(tǒng)，該系統(tǒng)的 8 個 LED 由兩個 LT3965 驅動，還采用了一個“升壓然后雙降壓模式”轉換器 LT3797。當進行 PWM 調光時，LT3797 采用獨特的 8 開關 1/8 周期相位關系，如圖 6 所示。在這個 1A 矩陣式系統(tǒng)中，LT3797 的通道成對并聯，以便配對的通道是反相，相互相差 180°，具體而言是通道 8 和 4、7 和 3、6 和 2 以及 5 和 1 配對。并聯通道交替分流，有效地將 PWM 頻率提高了一倍，提供了分散電流和熱量的優(yōu)勢。要想讓這正常工作，任何單一并聯功率開關的最大占空比都是 50%，因為兩個反相開關在 50% 時間接通 （每個開關在 50% 時間對 LED 分流） 可使 LED 在 100% 時間內斷開。

　　圖 5：1A LED 矩陣驅動器整合反相運行的并聯通道，以實現電流更大的大功率 LED 前燈系統(tǒng)應用

　　圖 6：8 個 LT3965 電源開關的 1/8 PWM 無閃爍相位，在通過 PWM 調光進行亮度控制時限制瞬態(tài)

　　每個 LT3965 控制 4 個 1A LED 的亮度，這 4 個 LED 由兩個 1A 降壓模式 LT3797 通道驅動 （來自 LT3797 升壓的 20V 通道）。這個堅固的大功率系統(tǒng)可以擴展，用更多 LT3965 為更多 LED 供電，或者用更多并聯通道為 LED 提供更大的電流。可以每個通道以 1A 電流驅動兩個 LED 和驅動這個靈活前燈系統(tǒng)的功率。

　　每通道超過一個 LED

　　LT3965 的每通道可以支持 1 至 4 個 LED。盡管單獨地控制每一個 LED 有利于實現故障保護或高分辨率的照明圖案，但并不總是有必要這么做。每通道驅動多于一個 LED 可減少系統(tǒng)所需的矩陣式調光器的數量，而且就某些設計而言，這足以滿足照明圖案和調光要求。前燈、信號燈和尾燈的各個段可能有多達 4 個亮度相同的 LED。應急 LED 燈可能有 3 或 4 個 LED 以相同的圖案閃爍和擺動。

　　圖 7 所示電路顯示了每通道兩個 LED 的系統(tǒng)，這個系統(tǒng)的 LED 數量與圖 3 所示電路相同，但是僅用了一個而不是兩個 LT3965 矩陣式調光器。

　　圖 7：靈活的 LT3965 可驅動不同 LED 串上的 LED 通道，每通道可驅動 1 至 4 個 LED。（完整的驅動器電路類似于圖 3，但如本圖所示，僅使用一個 LT3956。）

　　當通過 I2C 接口發(fā)來的命令要求 LT3965 接通、斷開或對一個通道調光時，受到影響的是由該通道的并聯功率開關所控制之兩個 LED。為了保持在 LT3965 電壓限制范圍內，16 個 500mA LED 仍然需要分成兩個串聯的 LED 串，如圖 2 所示。可以使用與圖 2 中相同的 LT3797 電路，但是僅用單個 LT3965 控制兩個 LED 串的亮度。這說明，LT3965 中的每個 NMOS 并聯功率開關可以不受其他影響而獨立地配置，從而允許無窮多種矩陣設計。

　　用于無閃爍 PWM 和漸變功能的全通道模式和單通道模式 I2C 命令

　　LT3965 的 I2C 指令集包括一字、兩字和三字命令。這些命令通過串行數據線 （SDA） 和主控器產生的時鐘線 （SCL） 以高達 400kHz 的速度發(fā)送。主微控制器負責發(fā)送全通道模式 （ACM） 或單通道模式 （SCM） 寫命令，以控制 LED 通道的亮度、漸變、開路門限和短路門限以及 LT3965 地址。

　　廣播模式 （BCM）、ACM 和 SCM 讀命令要求 LT3965 報告其寄存器中的內容，包括開路和短路寄存器，以進行故障診斷。當發(fā)生新的故障時，LT3965 給出 ALERT 標記。確定哪個 LT3965 報告了故障以及確定了故障類型和通道后，微控制器可以對故障做出響應。在多個 LT3965 IC 報告故障的情況下，LT3965 可給主器件對故障報告排序，以防止差錯信息重疊。這保證了警報響應系統(tǒng)的可靠性和正確性。LT3965 數據表中給出了寄存器和命令集的完整列表。

　　ACM 寫命令僅用兩個 I2C 字，就可以即時接通或斷開單一 LT3965 地址的所有 8 個通道，這些通道同時轉換到接通或斷開狀態(tài)。將大量 LED 接通或斷開會給 DC/DC 轉換器施加一個明顯的電流電壓負載階躍。這里介紹的轉換器能從容地處理這些瞬變，而且?guī)缀趸蛲耆恍枰敵鲭娙萜骱透邘挕?/p>

　　如圖 8 所示，對大量 LED 進行通斷轉換的 ACM 寫命令不會使其他通道的 LED 電流產生可見閃爍或大的瞬態(tài)。之所以產生了如此小和可控的瞬態(tài)，是因為采用了以 LT3797 為主構成的大帶寬降壓模式轉換器。

　　圖 8：本文所示 LED 矩陣驅動器設計具備最小的交叉通道瞬態(tài)效應或根本沒有這種效應。例如，轉換一半的通道，本文情況就是同時接通兩個、關斷兩個，對其他 4 個未操作通道有很小或沒有瞬態(tài)影響。未操作通道依然保持無閃爍。

　　單通道模式寫命令產生相對較小和快速的單 LED 瞬態(tài)。SCM 寫命令一次僅用來將一個通道設定為 ON、OFF、有漸變或無漸變 PWM 調光。PWM 調光值在 1/256 和 255/256 之間，通過 3 字寫命令傳送，而 ON 和 OFF 可以用較短的兩字命令傳送。單個 SCM 寫命令上的一個漸變位使得 LT3965 能夠以內部確定的對數漸變在兩種 PWM 調光級別之間移動，并且沒有額外的 I2C 通信量。每個通道的開路和短路門限可利用 SCM 寫命令在一個和四個 LED 之間設定。

　　每個通道的 LED 短路和開路故障保護

　　短路和開路保護是矩陣式調光器的一種固有優(yōu)勢。每個通道的 NMOS 電源開關能在 1 和 4 個串聯 LED 之間進行并聯分流。傳統(tǒng)的 LED 燈串具備針對整個燈串開路或短路的保護功能，只有某些 IC 擁有輸出診斷標記以指示這些故障情況。與此完全不同的是，LT3965 能提供針對個別通道短路和開路的保護并安然度過此類故障，使運作通道保持活動和運行狀態(tài)，同時記錄和報告故障情況。

　　當一個 LED 串中發(fā)生故障時，LT3965 會檢測到這個故障，并加上 ALERT 標記，通知微控制器有問題需要解決。如果該故障是開路故障，那么 LT3965 會自動接通相應的 NMOS 功率開關，繞過發(fā)生故障的 LED 直至完成全面診斷或故障消除為止。

　　LT3965 維持針對每個通道的開路和短路故障寄存器，并在發(fā)出 I2C 故障讀命令時將數據返回給微控制器。命令集包括保持該狀態(tài)寄存器不變的讀命令以及清除該故障寄存器的讀命令，從而允許進行用戶可編程的故障診斷。寄存器可以通過寫、SCM、ACM、BCM 允許的各種不同模式讀取。

　　單通道模式 （SCM） 讀命令針對單通道返回開路和短路寄存器位。SCM 讀命令還檢查開路和短路門限寄存器、模式控制以及針對該通道的 8 位 PWM 調光值。

　　全通道模式 （ACM） 讀命令回送某給定地址之所有通道的開路和短路寄存器位 （并不清零這些位），以及所有 8 個通道的 ACM ON 和 OFF 位。

　　在具有很多 LT3965 矩陣調光器共享同一總線的復雜系統(tǒng)中，廣播模式 （BCM） 讀取操作首先詢問哪個 LT3965 地址已經加上了故障標記 （如果有的話）。

　　ACM 和 SCM 讀取操作可用來檢查和清除故障，并讀取所有寄存器，以實現一個堅固的 I2C 通信系統(tǒng)。

　　同一條總線上可有多達 16 個可尋址 LT3965

　　每個 LT3965 具有四個用戶可選的地址位，因而可提供 16 個唯一的總線地址。每個 ACM 和SCM I2C 命令被發(fā)送至共享通信總線，但只有被尋址的 LT3965 采取行動。該總線上的所有 IC 均遵守 BCM 命令。這種 4 位地址架構允許單個微控制器和單個 I2C 兩線式通信總線支持多達 8 x 16 = 128 個可個別控制的通道。采用 LT3965 時，對于所有 （要求最高的除外） 的照明顯示器而言，汽車前照燈、尾燈和裝飾燈中所有的個別 LED 皆可由單根 I2C 通信總線和單個微控制器來控制。鑒于每個通道能夠連接至多達 4 個 LED，因此一個相對易于實現的系統(tǒng)可支持針對最多 512 個 LED 的矩陣式調光。

　　結論

　　LT3965 矩陣式 LED 調光器可控制單個 LED 燈串上的 8 個 LED 亮度通道，從而使照明設計師能不受限制地使用精細和引人注目的汽車照明設計。I2C 通信接口允許一個微處理器控制 LED 燈串中個別 LED 的亮度。I2C 接口中的故障保護可確保 LED 照明系統(tǒng)的堅固性。該矩陣式調光器的通道是多用途的：每個通道能控制多個 LED;通道可組合以支持較高電流 LED;或者可利用位于同一根通信總線上的多達 16 個矩陣式調光器 IC 以形成多 LED 系統(tǒng)。在汽車前照燈、尾燈、前燈、側燈、儀表板燈和裝飾燈的設計中邁出下一步 ―― 未來就是現在。