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    16通道恒流LED驅(qū)動芯片的PWM調(diào)光功能設(shè)計(jì)

    2014-04-18 07:15:36苑喬李曉青梁銀川
    現(xiàn)代電子技術(shù) 2014年7期

    苑喬+李曉青+梁銀川

    摘 要: 介紹了一種應(yīng)用于多通道恒流LED驅(qū)動芯片的PWM調(diào)光功能的實(shí)現(xiàn)方案,通過脈寬調(diào)制來改變流過各個通道LED的平均電流,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了LED的調(diào)光控制。該模塊由128 b串行移位寄存器,8 b數(shù)據(jù)鎖存器,8 b計(jì)數(shù)器,以及8 b PWM 灰度比較器構(gòu)成,輸出具有256階灰度調(diào)節(jié)功能的PWM控制信號。外部數(shù)據(jù)時鐘采用25 MHz,內(nèi)部振蕩器采用1.2 MHz。整體功能由Verilog HDL語言編程實(shí)現(xiàn)。

    關(guān)鍵詞: LED驅(qū)動; PWM調(diào)光; 占空比; Verilog HDL

    中圖分類號: TN201?34 文獻(xiàn)標(biāo)識碼: A 文章編號: 1004?373X(2014)07?0157?03

    Design of PWM dimming function for 16?channel LED driver

    YUAN Qiao, LI Xiao?qing, LIANG Yin?chuan

    (Space Star Technology Co., Ltd., Beijing 100086, China)

    Abstract: An implementation scheme of PWM dimming function for 16?channel LED driving chip is presented in this paper. The dimming control of LED is realized changing the duty ratio of the LED average current through all the channels′ LEDs by PWM method. The module is composed of 128?bit serial shifting register, 8?bit data latch, 8?bit counter and 8?bit PWM grey?level comparator to output a PWM control signal with 256?order grey dimming function. The external data clock frequency is 25 MHz. The internal oscillator frequency is 1.2 MHz. The overall function is implemented by programming with Verilog HDL language.

    Keywords: LED drive; PWM dimming; duty ratio; Verilog HDL

    0 引 言

    無論作為何種光源,能夠進(jìn)行調(diào)光都是一種很重要的功能。這不僅僅是為了使人們在家居環(huán)境中更加舒適,而且在今天來說,減少不必要的電光線,以進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排的目的是更加重要的一件事[1]。而且對于LED光源來說,調(diào)光也是比其他熒光燈、節(jié)能燈、高壓鈉燈等更容易實(shí)現(xiàn),所以更應(yīng)該在各種類型的LED燈具中加上調(diào)光的功能[2]。

    目前對LED進(jìn)行調(diào)光大致有兩種方法:一個是利用模擬電路進(jìn)行調(diào)光,這種方法是線性改變流過LED的電流;二是數(shù)字調(diào)光,即利用PWM控制方法,使用開關(guān)電路來改變流過LED的驅(qū)動電流的占空比從而改變流過LED的電流的平均值[3]。

    雖然線性調(diào)節(jié)的方法比較簡單,易于實(shí)現(xiàn),但是它效率較低,并且會引起光譜由白光向黃光進(jìn)行色彩的偏移。雖然偏移比較輕微,但是在一些敏感的LED應(yīng)用中有可能會被檢測出來[4?5]。

    脈寬調(diào)制(PWM Dimming)是目前比較常用的方法,以其控制簡單,靈活和動態(tài)響應(yīng)好的優(yōu)點(diǎn)成為了LED調(diào)光的最佳方式。PWM灰度控制方法是通過改變流過每個通道的LED的驅(qū)動電流的占空比來改變流過LED的平均電流的大小,從而使LED呈現(xiàn)出不同的發(fā)光強(qiáng)度。由于在所有的脈沖周期內(nèi),流過LED的最大正向電流不變,因而不會發(fā)生光譜的偏移,同時,為了保證人眼感受不到電流開關(guān)過程中導(dǎo)致的LED閃爍,PWM信號頻率不得低于[6?7] 100 Hz。

    1 16通道恒流LED驅(qū)動芯片

    本文設(shè)計(jì)的16通道恒流LED驅(qū)動芯片的整體框架如圖1所示。該芯片工作電壓為3.3~5.5 V,帶隙基準(zhǔn)電壓源提供了1.25 V的基準(zhǔn)電壓輸出,經(jīng)過分壓產(chǎn)生另外的基準(zhǔn)電壓用于過溫保護(hù)和電流調(diào)節(jié)。PWM灰度調(diào)節(jié)的功能是通過128 b移位寄存器、鎖存器、計(jì)數(shù)器以及數(shù)據(jù)比較器來實(shí)現(xiàn)的,通過移位寄存器把串行輸入的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成并行輸出的數(shù)據(jù),并把數(shù)據(jù)鎖存到16個鎖存器中,每個鎖存器是由8 b數(shù)據(jù)位構(gòu)成,將這16個數(shù)據(jù)和計(jì)數(shù)器的數(shù)據(jù)進(jìn)行256次比較,這樣就會產(chǎn)生不同占空比的輸出信號,就是所需要的灰度控制數(shù)據(jù)。將這個輸出的控制信號提供給16路輸出端,通過輸出端電流的打開和關(guān)斷,就會實(shí)現(xiàn)256級電流灰度調(diào)節(jié)。外接電阻從1.83~16.4 kΩ對輸出電流可調(diào),每個輸出端口提供5~45 mA的恒定電流,可以控制LED的發(fā)光亮度。因此,流過LED的電流實(shí)際是輸出端電流的最大值與灰度控制信號的占空比之積。輸出級采用高精度電流鏡,以確保精確的輸出電流匹配度。輸出耐壓為20 V,所以每路輸出端可串接多個LED。具有25 MHz的高速數(shù)據(jù)時鐘,以及1.2 MHz內(nèi)部振蕩器(用于PWM)。

    圖1 16通道恒流LED驅(qū)動芯片整體框架圖

    2 PWM調(diào)光功能的設(shè)計(jì)

    由圖1看出,該P(yáng)WM模塊由128 b移位寄存器,8 b數(shù)據(jù)鎖存器,8 b計(jì)數(shù)器,以及8 b灰度數(shù)據(jù)比較器組成。模塊整體上是串行輸入并行輸出的結(jié)構(gòu),包括兩個輸入端口,分別是:CKI時鐘信號輸入端口,SDI串行輸入信號端口,兩個輸出端口,分別是: CKO時鐘信號輸出端口,SDO串行輸出信號端口(在設(shè)計(jì)中考慮到噪聲信號的問題, 在輸入端口和后級電路之間加入了施密特觸發(fā)器,用來過濾噪聲)。

    其工作過程為:在同步時鐘 CKI 的作用下,外部數(shù)據(jù)逐一進(jìn)入移位寄存器,待 128個時鐘后,系統(tǒng)輸出一個高電平信號,將移位寄存器中的數(shù)據(jù)輸入到鎖存器,此時,鎖存器數(shù)據(jù)與計(jì)數(shù)器數(shù)據(jù)通過8 b灰度數(shù)據(jù)比較器進(jìn)行256次數(shù)據(jù)比較,從而輸出具有一定占空比的灰度數(shù)據(jù)控制信號。工作流程圖如圖2所示。

    PWM灰度控制目的是控制 LED 產(chǎn)生不同的灰度,該電路中,產(chǎn)生一個灰度控制信號,控制流過LED的電流的打開和關(guān)斷,這個灰度控制信號是由 PWM 計(jì)數(shù)器產(chǎn)生的8 b信號與SDI 輸入的各通道的灰度數(shù)據(jù)進(jìn)行了256次比較,輸出具有一定占空比的灰度控制信號,將這個信號輸出到LED的開關(guān)控制端,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)256級灰度調(diào)節(jié)功能。

    圖2 PWM工作流程圖

    該芯片中每個通道的灰度控制數(shù)據(jù)為8 b,16通道的恒流輸出總共有128 b控制數(shù)據(jù)。8 b的灰度數(shù)據(jù)可以實(shí)現(xiàn)28級亮度調(diào)節(jié)。

    在SDI端口的數(shù)據(jù)傳輸過程中,首先讀入的是 OUT15通道的最低信號位,最后讀入的是 OUT0 通道的最高信號位。因此,各輸出通道的 LED驅(qū)動電流占空比可由式(1)計(jì)算得到[8]:

    [DXOUT=L[7]*27+L[6]*26+L[5]*25+L[4]*24+L[3]*23+L[2]*22+L[1]*21+L[0]256] (1)

    式中[L[x]=]“0”或“1”,是第[N]個通道的灰度數(shù)據(jù)的第[x]位數(shù)據(jù)?;叶葦?shù)據(jù)“0000 0000”產(chǎn)生的輸出電流占空比為0,而“1111 1111”產(chǎn)生的輸出電流占空比為[9?10]1。

    本文的PWM調(diào)光模塊功能由Verilog HDL語言編程實(shí)現(xiàn)。

    3 PWM模塊功能的驗(yàn)證

    本模塊的功能仿真由Modelsim完成,測試數(shù)據(jù):

    [a=]128′10101100_00101110_10100011_10110110_10101100_00101110_10100011_10110110_10101100_00101110_10100011_10110110_10101100_00101110_10100011_10110110;

    16個通道的仿真結(jié)果如圖3所示。由圖3可以看出,每個通道實(shí)際輸出的PWM控制信號的占空比與由式(1)計(jì)算應(yīng)得理論數(shù)據(jù)完全符合,因此實(shí)現(xiàn)了該模塊的PWM調(diào)光功能。而且由于每個通道輸入數(shù)據(jù)不同,所以輸出具有不同占空比的開關(guān)控制信號,從而使每個通道輸出的電流值不同。

    圖3 PWM功能仿真結(jié)果

    將該P(yáng)WM調(diào)光功能模塊加入16通道恒流LED驅(qū)動芯片,在Cadence Spectre下進(jìn)行芯片的聯(lián)合仿真,如圖4所示是在典型工藝角(TT model)下,[VDD=]5 V,[T=]25,[Rext=]2 kΩ時,對該芯片進(jìn)行瞬態(tài)仿真,所得到的16個通道的輸出電流的仿真結(jié)果。

    圖4 16通道PWM控制輸出電流的仿真結(jié)果

    從圖4中可以看出,由于每個通道輸入的灰度數(shù)據(jù)不同,因此每個通道輸出電流的占空比也完全不同,它是由每個通道所輸入的灰度數(shù)據(jù)所決定的。以幾個通道的輸出結(jié)果為例進(jìn)行說明:通道一的灰度數(shù)據(jù)為<1111 0000>,因此輸出電流的占空比就為[240256,]通道二的灰度數(shù)據(jù)為<1110 0000>,因此輸出電流的占空比就為[224256,]通道三的灰度數(shù)據(jù)為<1100 0000>,因此輸出電流的占空比就為[192256,]其他通道的結(jié)果依次類推,仿真結(jié)果表明該P(yáng)WM調(diào)光模塊實(shí)現(xiàn)了在16通道恒流LED驅(qū)動芯片中的數(shù)字調(diào)光功能。

    4 結(jié) 語

    本文設(shè)計(jì)了一種應(yīng)用于多通道恒流LED驅(qū)動芯片的PWM調(diào)光功能模塊,通過Verilog HDL語言編程實(shí)現(xiàn),并由Modelsim進(jìn)行仿真。結(jié)果表明可以實(shí)現(xiàn)PWM調(diào)光控制信號的輸出,并與理論值相符,另外與芯片的聯(lián)合仿真表明該模塊實(shí)現(xiàn)了預(yù)期的設(shè)計(jì)功能。

    參考文獻(xiàn)

    [1] 楊清德.LED工程應(yīng)用技術(shù)[M].北京:人民郵電出版社,2010.

    [2] 劉勝利.LED驅(qū)動電路設(shè)計(jì)與應(yīng)用[M].北京:中國電力出版社,2009.

    [3] 陳傳虞,劉明,陳家楨.LED驅(qū)動芯片工作原理與電路設(shè)計(jì)[M].北京:人民郵電出版社,2011.

    [4] 毛興武,張艷雯,周建軍,等.新一代綠色光源LED及其應(yīng)用技術(shù)[M].北京:人民郵電出版社,2008.

    [5] ALLEN P E, HOLBERG D R. CMOS analog circuit design [M]. USA: Oxford University Press, 2005.

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    [7] GRAY P R, MEYER R G. Analysis and design of analog integrated circuits [M]. New York: Wiley, 2001.

    [8] 王雅芳.高亮度LED照明與開關(guān)電源供電[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2011.

    [9] 周志敏,周紀(jì)海,紀(jì)愛華.LED驅(qū)動電路設(shè)計(jì)實(shí)例[M].北京:電子工業(yè)出版社,1995.

    [10] 鄭久云,韓志剛,羅勝欽.白光LED的應(yīng)用與驅(qū)動[J].現(xiàn)代顯示,2009,20(8):12?16.

    其工作過程為:在同步時鐘 CKI 的作用下,外部數(shù)據(jù)逐一進(jìn)入移位寄存器,待 128個時鐘后,系統(tǒng)輸出一個高電平信號,將移位寄存器中的數(shù)據(jù)輸入到鎖存器,此時,鎖存器數(shù)據(jù)與計(jì)數(shù)器數(shù)據(jù)通過8 b灰度數(shù)據(jù)比較器進(jìn)行256次數(shù)據(jù)比較,從而輸出具有一定占空比的灰度數(shù)據(jù)控制信號。工作流程圖如圖2所示。

    PWM灰度控制目的是控制 LED 產(chǎn)生不同的灰度,該電路中,產(chǎn)生一個灰度控制信號,控制流過LED的電流的打開和關(guān)斷,這個灰度控制信號是由 PWM 計(jì)數(shù)器產(chǎn)生的8 b信號與SDI 輸入的各通道的灰度數(shù)據(jù)進(jìn)行了256次比較,輸出具有一定占空比的灰度控制信號,將這個信號輸出到LED的開關(guān)控制端,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)256級灰度調(diào)節(jié)功能。

    圖2 PWM工作流程圖

    該芯片中每個通道的灰度控制數(shù)據(jù)為8 b,16通道的恒流輸出總共有128 b控制數(shù)據(jù)。8 b的灰度數(shù)據(jù)可以實(shí)現(xiàn)28級亮度調(diào)節(jié)。

    在SDI端口的數(shù)據(jù)傳輸過程中,首先讀入的是 OUT15通道的最低信號位,最后讀入的是 OUT0 通道的最高信號位。因此,各輸出通道的 LED驅(qū)動電流占空比可由式(1)計(jì)算得到[8]:

    [DXOUT=L[7]*27+L[6]*26+L[5]*25+L[4]*24+L[3]*23+L[2]*22+L[1]*21+L[0]256] (1)

    式中[L[x]=]“0”或“1”,是第[N]個通道的灰度數(shù)據(jù)的第[x]位數(shù)據(jù)?;叶葦?shù)據(jù)“0000 0000”產(chǎn)生的輸出電流占空比為0,而“1111 1111”產(chǎn)生的輸出電流占空比為[9?10]1。

    本文的PWM調(diào)光模塊功能由Verilog HDL語言編程實(shí)現(xiàn)。

    3 PWM模塊功能的驗(yàn)證

    本模塊的功能仿真由Modelsim完成,測試數(shù)據(jù):

    [a=]128′10101100_00101110_10100011_10110110_10101100_00101110_10100011_10110110_10101100_00101110_10100011_10110110_10101100_00101110_10100011_10110110;

    16個通道的仿真結(jié)果如圖3所示。由圖3可以看出,每個通道實(shí)際輸出的PWM控制信號的占空比與由式(1)計(jì)算應(yīng)得理論數(shù)據(jù)完全符合,因此實(shí)現(xiàn)了該模塊的PWM調(diào)光功能。而且由于每個通道輸入數(shù)據(jù)不同,所以輸出具有不同占空比的開關(guān)控制信號,從而使每個通道輸出的電流值不同。

    圖3 PWM功能仿真結(jié)果

    將該P(yáng)WM調(diào)光功能模塊加入16通道恒流LED驅(qū)動芯片,在Cadence Spectre下進(jìn)行芯片的聯(lián)合仿真,如圖4所示是在典型工藝角(TT model)下,[VDD=]5 V,[T=]25,[Rext=]2 kΩ時,對該芯片進(jìn)行瞬態(tài)仿真,所得到的16個通道的輸出電流的仿真結(jié)果。

    圖4 16通道PWM控制輸出電流的仿真結(jié)果

    從圖4中可以看出,由于每個通道輸入的灰度數(shù)據(jù)不同,因此每個通道輸出電流的占空比也完全不同,它是由每個通道所輸入的灰度數(shù)據(jù)所決定的。以幾個通道的輸出結(jié)果為例進(jìn)行說明:通道一的灰度數(shù)據(jù)為<1111 0000>,因此輸出電流的占空比就為[240256,]通道二的灰度數(shù)據(jù)為<1110 0000>,因此輸出電流的占空比就為[224256,]通道三的灰度數(shù)據(jù)為<1100 0000>,因此輸出電流的占空比就為[192256,]其他通道的結(jié)果依次類推,仿真結(jié)果表明該P(yáng)WM調(diào)光模塊實(shí)現(xiàn)了在16通道恒流LED驅(qū)動芯片中的數(shù)字調(diào)光功能。

    4 結(jié) 語

    本文設(shè)計(jì)了一種應(yīng)用于多通道恒流LED驅(qū)動芯片的PWM調(diào)光功能模塊,通過Verilog HDL語言編程實(shí)現(xiàn),并由Modelsim進(jìn)行仿真。結(jié)果表明可以實(shí)現(xiàn)PWM調(diào)光控制信號的輸出,并與理論值相符,另外與芯片的聯(lián)合仿真表明該模塊實(shí)現(xiàn)了預(yù)期的設(shè)計(jì)功能。

    參考文獻(xiàn)

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    [5] ALLEN P E, HOLBERG D R. CMOS analog circuit design [M]. USA: Oxford University Press, 2005.

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    [9] 周志敏,周紀(jì)海,紀(jì)愛華.LED驅(qū)動電路設(shè)計(jì)實(shí)例[M].北京:電子工業(yè)出版社,1995.

    [10] 鄭久云,韓志剛,羅勝欽.白光LED的應(yīng)用與驅(qū)動[J].現(xiàn)代顯示,2009,20(8):12?16.

    其工作過程為:在同步時鐘 CKI 的作用下,外部數(shù)據(jù)逐一進(jìn)入移位寄存器,待 128個時鐘后,系統(tǒng)輸出一個高電平信號,將移位寄存器中的數(shù)據(jù)輸入到鎖存器,此時,鎖存器數(shù)據(jù)與計(jì)數(shù)器數(shù)據(jù)通過8 b灰度數(shù)據(jù)比較器進(jìn)行256次數(shù)據(jù)比較,從而輸出具有一定占空比的灰度數(shù)據(jù)控制信號。工作流程圖如圖2所示。

    PWM灰度控制目的是控制 LED 產(chǎn)生不同的灰度,該電路中,產(chǎn)生一個灰度控制信號,控制流過LED的電流的打開和關(guān)斷,這個灰度控制信號是由 PWM 計(jì)數(shù)器產(chǎn)生的8 b信號與SDI 輸入的各通道的灰度數(shù)據(jù)進(jìn)行了256次比較,輸出具有一定占空比的灰度控制信號,將這個信號輸出到LED的開關(guān)控制端,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)256級灰度調(diào)節(jié)功能。

    圖2 PWM工作流程圖

    該芯片中每個通道的灰度控制數(shù)據(jù)為8 b,16通道的恒流輸出總共有128 b控制數(shù)據(jù)。8 b的灰度數(shù)據(jù)可以實(shí)現(xiàn)28級亮度調(diào)節(jié)。

    在SDI端口的數(shù)據(jù)傳輸過程中,首先讀入的是 OUT15通道的最低信號位,最后讀入的是 OUT0 通道的最高信號位。因此,各輸出通道的 LED驅(qū)動電流占空比可由式(1)計(jì)算得到[8]:

    [DXOUT=L[7]*27+L[6]*26+L[5]*25+L[4]*24+L[3]*23+L[2]*22+L[1]*21+L[0]256] (1)

    式中[L[x]=]“0”或“1”,是第[N]個通道的灰度數(shù)據(jù)的第[x]位數(shù)據(jù)?;叶葦?shù)據(jù)“0000 0000”產(chǎn)生的輸出電流占空比為0,而“1111 1111”產(chǎn)生的輸出電流占空比為[9?10]1。

    本文的PWM調(diào)光模塊功能由Verilog HDL語言編程實(shí)現(xiàn)。

    3 PWM模塊功能的驗(yàn)證

    本模塊的功能仿真由Modelsim完成,測試數(shù)據(jù):

    [a=]128′10101100_00101110_10100011_10110110_10101100_00101110_10100011_10110110_10101100_00101110_10100011_10110110_10101100_00101110_10100011_10110110;

    16個通道的仿真結(jié)果如圖3所示。由圖3可以看出,每個通道實(shí)際輸出的PWM控制信號的占空比與由式(1)計(jì)算應(yīng)得理論數(shù)據(jù)完全符合,因此實(shí)現(xiàn)了該模塊的PWM調(diào)光功能。而且由于每個通道輸入數(shù)據(jù)不同,所以輸出具有不同占空比的開關(guān)控制信號,從而使每個通道輸出的電流值不同。

    圖3 PWM功能仿真結(jié)果

    將該P(yáng)WM調(diào)光功能模塊加入16通道恒流LED驅(qū)動芯片,在Cadence Spectre下進(jìn)行芯片的聯(lián)合仿真,如圖4所示是在典型工藝角(TT model)下,[VDD=]5 V,[T=]25,[Rext=]2 kΩ時,對該芯片進(jìn)行瞬態(tài)仿真,所得到的16個通道的輸出電流的仿真結(jié)果。

    圖4 16通道PWM控制輸出電流的仿真結(jié)果

    從圖4中可以看出,由于每個通道輸入的灰度數(shù)據(jù)不同,因此每個通道輸出電流的占空比也完全不同,它是由每個通道所輸入的灰度數(shù)據(jù)所決定的。以幾個通道的輸出結(jié)果為例進(jìn)行說明:通道一的灰度數(shù)據(jù)為<1111 0000>,因此輸出電流的占空比就為[240256,]通道二的灰度數(shù)據(jù)為<1110 0000>,因此輸出電流的占空比就為[224256,]通道三的灰度數(shù)據(jù)為<1100 0000>,因此輸出電流的占空比就為[192256,]其他通道的結(jié)果依次類推,仿真結(jié)果表明該P(yáng)WM調(diào)光模塊實(shí)現(xiàn)了在16通道恒流LED驅(qū)動芯片中的數(shù)字調(diào)光功能。

    4 結(jié) 語

    本文設(shè)計(jì)了一種應(yīng)用于多通道恒流LED驅(qū)動芯片的PWM調(diào)光功能模塊,通過Verilog HDL語言編程實(shí)現(xiàn),并由Modelsim進(jìn)行仿真。結(jié)果表明可以實(shí)現(xiàn)PWM調(diào)光控制信號的輸出,并與理論值相符,另外與芯片的聯(lián)合仿真表明該模塊實(shí)現(xiàn)了預(yù)期的設(shè)計(jì)功能。

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