矩陣大燈中各個LED的無閃爍控制

LED將設計靈活性與實用強健的電路相結(jié)合，使汽車設計人員能夠生產(chǎn)驚人的前燈設計，并且具有超長的使用壽命和性能。凌力爾特公司LED驅(qū)動器產(chǎn)品高級設計負責人Keith Szolusha現(xiàn)在是ADI公司的一員，他解釋汽車設計師如何將LED納入照明領域，因為他們可以安排在獨特的引人注目的設計中 - 幫助區(qū)分新舊模型，或經(jīng)濟高端。

LED矩陣調(diào)光器演示電路作為Linduino?屏蔽層運行

毫無疑問，汽車LED照明已經(jīng)到來，但尚未達到其全部潛力。未來的車型將采用更多的LED燈，包括新的形狀和顏色，以及對單個LED的更多控制。簡單的LED串將讓位于通過計算機控制單獨調(diào)光的LED矩陣，從而實現(xiàn)無限的實時模式控制和動畫。以LT3965矩陣LED驅(qū)動器和與LT3797升壓然后雙降壓模式驅(qū)動器的組合為例，將展示驅(qū)動器技術的先進程度如何使汽車照明設計的下一步變得輕松。

用單個IC對8個電源開關進行I2C控制

基本的LED前大燈設計可以在均勻的LED電流下工作，因此亮度均勻。但是這留下了很多LED在桌面上的潛力。矩陣車燈通過控制LED燈串內(nèi)各個LED的亮度，充分利用LED的天生能力。

理論上講，通過計算機控制的電源開關來處理矩陣中的單個LED并不困難，從而允許單獨的LED打開或關閉，或者PWM調(diào)暗，以創(chuàng)建獨特的圖案和功能。每個LED（或LED的一部分）需要自己的轉(zhuǎn)換器或其自己的分流電源開關。有可能用傳統(tǒng)的驅(qū)動器/轉(zhuǎn)換器IC構(gòu)建一個包含串行通信功能的矩陣驅(qū)動器，但是一旦LED矩陣需要多于兩個或三個開關，設計分立元件解決方案變得具有挑戰(zhàn)性，涉及元件矩陣超過LED矩陣的大小。

IC 8開關矩陣LED調(diào)光器可輕松控制大型或小型LED矩陣（最多512個LED）。圖1顯示了演示電路上的驅(qū)動器。

圖1：LED矩陣調(diào)光器演示電路作為Linduino?屏蔽層運行。該演示電路運行大燈，轉(zhuǎn)動燈光，尾燈和裝飾圖案，并可通過USB電纜通過圖形用戶界面進行評估

其高度集成的設計（圖2）最大限度地減少了元件數(shù)量?？蓡为殞ぶ返耐ǖ揽捎糜谝远喾N方式控制LED矩陣。

圖2：60 V 8開關LED矩陣調(diào)光器框圖顯示了用于亮度控制的8個功率NMOS分流開關，故障標志和I2C串行通信接口

LED矩陣的控制選項：

每個驅(qū)動器可以控制8個調(diào)光通道 - 八個LED或八個群集 - 在一串LED中

八個通道可以控制兩個RGBW LED模塊上的紅色，綠色，藍色和白色光，以調(diào)節(jié)亮度或改變儀表板或裝飾照明的顏色

多個驅(qū)動程序可以在單個通信總線上單獨尋址，以便將字符串乘以大數(shù)組

一個驅(qū)動器可以控制每個通道的多個LED，或者可以組合通道來高效控制單個LED的電流

與合適的恒流LED驅(qū)動器配合使用時，矩陣調(diào)光器LED驅(qū)動器允許通過大燈，日間行車燈，制動器和尾燈，側(cè)彎燈，儀表板顯示屏和其他裝飾照明裝置對各個LED進行計算機控制。內(nèi)置的自動故障檢測能夠在發(fā)生故障時保護單個LED并向微控制器報告故障。

60 V驅(qū)動器包含八個集成的330mΩ電源開關，可以連接到一個或多個LED。電源開關通過關閉或調(diào)光特定通道上的LED來充當分流器件。這些開關創(chuàng)建8個單獨控制的亮度通道（高達256：1調(diào)光比）和8個LED串的防故障段。

當所有八個電源開關同時打開時（所有LED熄滅），它可處理500 mA的串電流。如本文后面所述，開關可并聯(lián)連接，并通過四個通道的LED以1A運行。無論LED數(shù)量或電流如何，LED串必須由設計合理的轉(zhuǎn)換器驅(qū)動，該轉(zhuǎn)換器具有處理矩陣調(diào)光器快速瞬變的帶寬。本文中包含一些參考設計。

升壓，然后雙降壓模式驅(qū)動兩串，16個LED，500 mA，帶兩個矩陣驅(qū)動器

矩陣LED驅(qū)動器的八個分流電源開關在500 mA時控制八個通道LED的亮度。8-LED矩陣調(diào)光器系統(tǒng)的串電壓可以在0到26 V之間，具體取決于在給定時間內(nèi)有多少個LED處于打開或關閉狀態(tài)。推薦用于驅(qū)動這些LED的轉(zhuǎn)換器拓撲結(jié)構(gòu)是一款30 V降壓型轉(zhuǎn)換器，具有高帶寬和很少或沒有輸出電容。這種降壓拓撲結(jié)構(gòu)要求9-16 V汽車輸入“預升壓”到降壓穩(wěn)壓器可以工作的30 V電壓軌。

三路輸出LT3797 LED控制器可方便地用作“預升壓”和降壓功能的單IC解決方案 - 可在一個通道上配置為升壓型穩(wěn)壓器，然后配置降壓型LED驅(qū)動器在另外兩個頻道上。兩個降壓LED驅(qū)動器中的每一個都可以驅(qū)動一串矩陣變暗的LED。這種拓撲結(jié)構(gòu)具有許多優(yōu)點，最值得注意的是，無論LED串電壓高于還是低于電池電壓，電路都能夠繼續(xù)最佳工作。

圖3顯示了圖1所示演示板的原理圖，該演示板是一個升壓后雙降壓模式矩陣調(diào)光前燈系統(tǒng)，帶有16個500 mA的LED。每個LED都可以單獨控制開/關或PWM調(diào)暗至1/256亮度。350 kHz開關頻率在AM頻段之外（對EMI有好處），并且由同一個350 kHz時鐘產(chǎn)生的170 Hz PWM調(diào)光頻率高于可見范圍。系統(tǒng)正確同步后，矩陣大燈無閃爍。

圖3：具有升壓后降壓模式LED驅(qū)動器和兩個矩陣調(diào)光器的矩陣LED調(diào)光器系統(tǒng)，可驅(qū)動汽車電池在500 mA時的16個LED。I2C串行通信控制各個LED的亮度并檢查LED和通道故障

LT3797降壓模式轉(zhuǎn)換器針對幾乎沒有輸出電容和適當補償控制環(huán)路的極快速瞬變進行了優(yōu)化。這些> 30 kHz帶寬轉(zhuǎn)換器可承受快速LED瞬變，因為LED隨時打開和關閉以及PWM變暗。放置在LED檢測電阻上的濾波電容取代了控制系統(tǒng)中的一個極點，當輸出電容被減小或去除時，為了矩陣調(diào)光器的快速瞬態(tài)性能而丟失。

來自開關節(jié)點的電荷泵用于為矩陣LED驅(qū)動器的VIN引腳提供比LED +電壓高7 V以上的電壓，以在驅(qū)動時使頂部通道NMOS完全增強。即使所有八個分流開關都打開，關閉整個LED燈串，低RD（ON）NMOS開關仍能夠在IC不變熱的情況下實現(xiàn)高功率運行。在這種情況下，LED驅(qū)動器可以保持由所有八個分流開關創(chuàng)建的虛擬輸出短路，而不會出現(xiàn)任何問題，并且可以通過下一個打開的LED快速調(diào)節(jié)500 mA。

圖1中的演示電路具有圖3所示的系統(tǒng)，并通過Linduino?One演示電路使用附帶的IC微控制器操作矩陣前燈。使用的演示板作為Linduino大屏蔽罩運行，具有高達400 kHz的串行代碼，可生成不同的車頭燈圖案并與圖形用戶界面（圖4）連接。

在圖4所示的GUI中，LED亮度和故障保護功能可通過“全通道模式”和“單挑戰(zhàn)模式”命令以及“故障檢查”讀取和寫入命令來檢查開路和短路LED。這個演示電路系統(tǒng)可以檢查無閃爍操作，故障保護和瞬態(tài)操作。DC2218可直接插入12 V直流電源，并可通過運行GUI的個人計算機進行控制，或通過簡單的USB連接進行重新編程。

圖4：基于PC的界面允許設計人員訪問LED的控制和監(jiān)視

1使用并行通道的矩陣LED驅(qū)動器

LT3965可用于驅(qū)動1A LED通道的矩陣。并聯(lián)電源開關很容易，因此兩個電源開關將LED電流分成1 A，每個驅(qū)動器控制四個1 A通道。使用并聯(lián)電源開關以獲得更高電流的一種方法是僅在PWM周期的50％內(nèi)運行每個反相并聯(lián)開關。通過一個NMOS電源開關交替運行1 A一半的時間，有效加熱大約等于通過相同的NMOS在所有時間內(nèi)運行500 mA。

圖5：1矩陣LED驅(qū)動器結(jié)合了反相并聯(lián)通道，可用于大功率LED大燈系統(tǒng)中的更高電流應用

圖5顯示了一個1A矩陣大燈系統(tǒng)，該系統(tǒng)使用由兩個矩陣LED驅(qū)動器和另一個升壓后降壓模式IC驅(qū)動的八個LED。當PWM調(diào)光時，IC使用8個開關的獨特1/8周期相位，如圖6所示。在這個1 A矩陣系統(tǒng)中，升壓和降壓模式的LED驅(qū)動器通道并行組合，這樣成對的通道是反相的，相互成180°;特別是對通道8和4,7和3,6和2以及5和1進行配對。并聯(lián)通道交替分流，有效地加倍了PWM頻率，并具有擴散分流電流和熱量的優(yōu)勢。為使此功能正常工作，任何單個并聯(lián)電源開關的最大占空比為50％，因為50％的時間內(nèi)有兩個反相開關（每50％的時間分路一次）將LED關閉100 ％ 的時間。

圖6：八個矩陣LED驅(qū)動器功率開關的1/8 PWM無閃爍相位限制了PWM調(diào)光亮度控制期間的瞬態(tài)

每個矩陣LED潛水員控制由兩個1 A降壓模式LT3797通道（來自升壓的20 V通道）驅(qū)動的四個1 A LED的亮度。這種高功率，強大的系統(tǒng)可以通過更多的LT3965或更高電流的LED并聯(lián)更多通道來擴大功率，從而為更多的LED供電。可以在1 A的每個通道上驅(qū)動兩個LED，并驅(qū)動這個靈活的大燈系統(tǒng)的電源。

每個通道多個LED

矩陣驅(qū)動器可以支持每個通道一至四個LED。雖然這可能是有利的單獨控制的故障保護或高分辨率模式的每一個LED，它并不總是必要的。使用一個以上的每通道LED降低矩陣的調(diào)光器的數(shù)量的系統(tǒng)和足以實現(xiàn)圖案或調(diào)光需要一些設計。頭燈，信號燈和尾燈的段可以具有多達四個的LED具有相同的亮度。緊急LED燈可以具有組三個和四個LED閃爍該并用相同的圖案波。

圖7：該柔性基質(zhì)的LED驅(qū)動器可以驅(qū)動上獨立的LED串的LED通道，并且可以每信道1個四個LED驅(qū)動之間。（完整的驅(qū)動電路類似于圖3，但只有一個IC，如圖所示）

圖7中的電路演示了一個雙通道LED系統(tǒng) - 它具有與圖3中的電路相同數(shù)量的LED，但僅使用單個矩陣調(diào)光器而不是兩個。

當IC命令告訴LT3965打開，關閉或調(diào)暗通道時，它會影響由該通道的分流電源開關控制的兩個LED。為了保持IC的電壓限制，500mA的16個LED仍然需要分成兩個串聯(lián)的LED串，如圖2所示。可以使用圖2中相同的升壓后降壓模式電路，但只有一個矩陣LED驅(qū)動器控制兩個串的亮度。這演示了IC內(nèi)部每個NMOS分流電源開關如何獨立于其他電源開關進行配置，從而可以進行各種各樣的矩陣設計。

所有通道模式和單通道模式IC命令均具有無閃爍PWM和淡入淡出功能

IC指令集包括1個，2個和3個字的命令。這些命令通過串行數(shù)據(jù)線（SDA）以高達400 kHz的速度與主生成時鐘線（SCL）一起發(fā)送。主微控制器發(fā)送所有通道模式（ACM）或單通道模式（SCM）寫入命令，以控制LED通道和LT3965地址的亮度，淡入，開路閾值和短路閾值。

廣播模式（BCM），ACM和SCM讀命令要求驅(qū)動程序報告其寄存器的內(nèi)容，包括用于故障診斷的開放和短寄存器。發(fā)生新故障時，矩陣LED驅(qū)動器會置位ALERT標志。微型設備可以通過確定哪個驅(qū)動程序報告了故障以及故障的類型和通道來響應故障。在多個IC報告故障的情況下，他們可以將故障報告順序排列到主設備上以防止重疊錯誤。這使得警報響應系統(tǒng)可靠且具有決定性。數(shù)據(jù)手冊中給出了完整的寄存器和命令集列表。

ACM寫入命令立即使用兩個IC字開啟或關閉單個LT3965地址的所有八個通道 - 通道同時開啟或關閉。打開或關閉大量LED將對DC / DC轉(zhuǎn)換器提供顯著的電流電壓負載步驟。這里介紹的轉(zhuǎn)換器可以很好地處理這些瞬變現(xiàn)象，幾乎沒有輸出電容和高帶寬。

如圖8所示，通過ACM寫入轉(zhuǎn)換大量的LED，不會對其他通道的LED電流產(chǎn)生可見的閃爍或明顯的瞬態(tài)。圍繞LT3797構(gòu)建的高帶寬降壓模式轉(zhuǎn)換器是實現(xiàn)如此小的瞬態(tài)控制的原因。

圖8：本文中展示的LED矩陣驅(qū)動器設計具有最小或不具有跨通道瞬態(tài)效應。例如，過渡一半頻道 - 在這里，同時打開兩個并關閉兩個頻道 - 對其他四個未觸及的頻道幾乎沒有瞬態(tài)效應。未轉(zhuǎn)換的通道保持無閃爍

單通道模式寫入產(chǎn)生相對較小且快速的單LED瞬變。單片機寫入用于將帶有或不帶有淡入淡出功能的開啟，關閉或PWM調(diào)光一次只設置一個通道的亮度。PWM調(diào)光值在1/256和255/256之間以3字寫入，而ON和OFF可以以較短的2字命令傳送。單個SCM寫入命令中的淡入位使LT3965能夠在兩個PWM調(diào)光電平之間移動，并具有內(nèi)部確定的對數(shù)衰減并且無需額外IC流量。使用SCM寫入命令可以在1到4個LED之間設置每個通道的開放和短期閾值。

每個通道的短路和開路LED故障保護

短路和開路保護是這款矩陣調(diào)光器的固有優(yōu)勢。每個通道的NMOS電源開關可以在1至4個串聯(lián)LED之間分流。傳統(tǒng)的LED燈串可以防止整個燈串開路或短路，只有一些IC具有輸出診斷標志來指示這些故障狀態(tài)。相比之下，這個驅(qū)動程序可以防止單個通道短路并打開，從而保持運行通道的運行和運行，同時記錄和報告故障狀態(tài)。

當一個字符串內(nèi)發(fā)生故障時，驅(qū)動程序檢測到故障并置位其ALERT標志，向微控制器表明存在需要解決的問題。如果故障是開路，則驅(qū)動器會自動打開其對應的NMOS電源開關，繞過故障LED直到完全診斷或直到故障消除。

IC保存每個通道的開路和短路故障寄存器，并在IC故障讀取命令期間將數(shù)據(jù)返回給微控制器。命令集包括使狀態(tài)寄存器保持不變的讀取和清除故障寄存器的讀取，從而允許用戶可編程的故障診斷。

可以在允許寫入的各種模式下讀取寄存器，SCM，ACM，BCM：

單通道模式（SCM）讀取返回單個通道的開路和短路寄存器位。SCM讀取還檢查開放和短期閾值寄存器，模式控制以及該通道的8位PWM調(diào)光值

所有通道模式（ACM）讀取都會返回給定地址的所有通道的開路和短路寄存器位，而不會清除該位，以及所有八個通道的ACM ON和OFF位

在具有許多共享相同總線的矩陣調(diào)光器的更復雜系統(tǒng)中，廣播模式（BCM）讀取首先請求哪個（如果有的話）IC地址聲明了故障標志

ACM和SCM讀取可用于檢查和清除故障并讀取所有寄存器，以獲得強大的IC通信系統(tǒng)

同一總線上最多可尋址16個驅(qū)動程序

每個IC具有四個用戶可選的地址位，可實現(xiàn)16個獨特的總線地址。每個ACM和SCM IC命令都被發(fā)送到共享通信總線，但只有被尋址的IC才會采取行動?？偩€上的所有IC都遵循BCM命令。4位地址架構(gòu)允許單個微控制器和單個IC雙線通信總線支持多達8個。16 = 128個獨立可控通道。有了這款驅(qū)動器，除了最雄心勃勃的照明顯示屏之外，汽車大燈，尾燈和裝飾燈中的所有單個LED都可以通過單個IC通信總線和單個微控制器進行控制?？紤]到每個通道最多可以連接四個LED，一個相對容易實現(xiàn)的系統(tǒng)可支持多達512個LED的矩陣調(diào)光。

結(jié)論

矩陣LED調(diào)光器控制單個LED串上的八個LED亮度通道，為照明設計師提供無限制的接入復雜和引人注目的汽車照明設計。IC通信接口允許微處理器控制串中各個LED的亮度。IC接口中的故障保護確保了LED照明系統(tǒng)的穩(wěn)健性。矩陣調(diào)光器的通道是多功能的：每個通道可以控制多個LED;通道可以結(jié)合使用以支持更高電流的LED;或者在相同的通信總線上可以使用多達16個矩陣調(diào)光器IC生產(chǎn)高LED數(shù)量的系統(tǒng)。現(xiàn)在已經(jīng)到了設計汽車前燈，尾燈，前部，側(cè)面，儀表板和裝飾燈的下一個步驟。