Микросхемы драйверов RGB-светодиодов

В малогабаритной аппаратуре, вплоть до MP3-плееров и сотовых телефонов, все чаще используются трехцветные RGB-светодиоды, а в различной осветительной аппаратуре и декоративных светильниках применяются так называемые RGB-кластеры. Для оптимального управления яркостью и цветностью в таких устройствах используются специализированные драйверы, многие из которых управляются внешним контроллером. О некоторых из них пойдет речь в настоящей статье. Автор рассматривает ряд микросхем-драйверов фирм ON Semiconductor, STMicroelectronics и National Semiconductor.

RGB-драйвер светодиодов со стабилизацией тока CAT4109 (ON Semiconductor)

Микросхема CAT4109 представляет собой драйвер для управления тремя последовательными (R, G и B) цепочками светодиодов со стабилизацией тока, раздельной установкой и ШИМ регулировкой яркости свечения этих цепочек светодиодов. CAT4109 изготавливается в миниатюрном 11116-выводном корпусе SOIC-16 для поверхностного монтажа. Назначение выводов микросхемы приведено в таблице 1, схема включения показана на рис. 1,а функциональная схема - на рис. 2.

Рис. 1. Схема включения микросхемы CAT4109

Рис. 2. Функциональная схема микросхемы CAT4109

Таблица 1. Назначение выводов микросхемы CAT4109

Особенностью схемы включения микросхемы CAT4109 является отсутствие дросселя и минимум деталей обвязки. Напряжение питания CAT4109 лежит в пределах 3...5,5 В, а напряжение питания светодиодных цепочек - 5...25 В.

Каждый из трех каналов управления светодиодами состоит из регулируемого источника тока и схемы установки максимального тока (см. рис. 2). Общим для всех каналов является источник опорного напряжения (ИОН) 1,2 В.

Напряжением источника питания VIN определяется максимальное количество светодиодов в каждой из цепочек. Максимальный ток каждой из последовательных цепочек светодиодов может достигать 175 мА. Ток светодиодов создает на открытых выходных ключах микросхемы малое падение напряжения (0,4 В). Максимальные значения токов цепочек светодиодов задаются внешними резисторами R1, R2 и R3 (выводы RSET1-RSET3 микросхемы). В таблице 2 приведена зависимость этих значений от сопротивлений соответствующих установочных резисторов R1-R3.

Таблица 2. Зависимость токов цепочек светодиодов от сопротивления соответствующего установочного резистора

Внешнее управление микросхемой CAT4109 осуществляется контроллером через входы OE (выв. 15), PWM1 (выв. 5), PWM2 (4) и PWM3 (выв. 3). Разрешение на включение светодиодов осуществляется высоким уровнем напряжения (≥1,2 В) на входе OE (15). Временные диаграммы работы микросхемы CAT4109 показаны на рис. 3.

Рис. 3. Временные диаграммы работы микросхемы CAT4109

Время перехода микросхемы из режима отключения (Shutdown) во включенное состояние (T_PS) составляет 1,4 мкс. Выключение светодиодов по входу разрешения OE осуществляется низким уровнем (≤0,4 В) на этом входе с задержкой T_P2=0,6 мкс, а повторное включение - высоким уровнем с задержкой T_P1=0,3 мкс. Для перевода ИМС в режим Shutdown необходимо поддержать на выв. 15 (OE) низкий потенциал в течение 4...8 мкс (T_PWRDWN). В этом режиме потребляемый ток не превышает 1 мкА.

Входы PWM1 (выв. 5), PWM2 (выв. 4) и PWM3 (выв. 3) используются для раздельной регулировки яркости свечения цепочек светодиодов методом ШИМ при высоком уровне напряжения на входе OE (выв. 15). Для групповой регулировки яркости свечения всех светодиодов можно подать от контроллера ШИМ сигнал на вход OE. Для того чтобы не нарушался цветовой баланс, частота этого ШИМ сигнала должна быть на порядок ниже частоты ШИМ сигнала на входах PWM1-PWM3.

Микросхема CAT4109 имеет температурную защиту с порогом срабатывания 150°С и гистерезисом 20°С, а также защиту от понижения напряжения питания с порогом срабатывания 1,8 В.

RGB-драйвер светодиодов со стабилизацией тока CAT4103 (ON Semiconductor)

Микросхема CAT4103 также предназначена для управления тремя последовательными RGB-цепочками светодиодов со стабилизацией тока, с раздельной установкой и ШИМ регулировкой яркости их свечения. Она выпускается в корпусе SOIC-16. Основной особенностью этой микросхемы является возможность раздельного управления каждой отдельной цепочкой светодиодом с помощью последовательного интерфейса. Еще одна особенность CAT4103 - это возможность каскадного включения нескольких микросхем,что увеличивает количество управляемых светодиодов от одного контроллера по 4-про-водному интерфейсу. Назначение выводов этой микросхемы приведено в таблице 3, функциональная схема изображена на рис. 4, а схема включения - на рис. 5.

Каналы управления светодиодами микросхемы CAT4103 аналогичны соответствующим каналам CAT4109, но у микросхемы CAT4103 есть одна важная особенность, суть которой в том, что сигналы ШИМ для управления яркостью светодиодов формируются в самой микросхеме из сигналов от контроллера. Для этого в микросхему введено трехразрядное ОЗУ (см. рис. 4), которое состоит из трех триггеров-защелок (3-разрядного регистра-"защелки") и 3-разрядного сдвигового регистра. Собственно сдвиговый регистр обеспечивает преобразование последовательного кода входного сигнала данных в параллельный, который запоминается в регистре-"защелке".

Рис. 4.  Функциональная схема микросхемы CAT4103

Рис. 5. Схема включения микросхемы CAT4103

Таблица 3. Назначение выводов микросхемы CAT4103

Для того чтобы управлять следующей микросхемой при каскадном включении, используются четыре буферных усилителя и триггер задержки (D-триггер).

Приведем описание выводов МС CAT4103, через которые к ней подключается управляющий контроллер и следующая микросхема при каскадном включении.

Вывод 4 (SIN) - вход последовательных данных.

Вывод 5 (CIN) - вход тактовых импульсов частотой до 25 МГц. Этот динамический вход срабатывает по фронту тактового импульса (переходу с лог. "0" на лог. "1"). При этом логический уровень с входа SIN записывается в сдвиговый регистр.

Вывод 3 (LIN) - вход команды запоминания данных. При переходе сигнала с лог. "0" на лог. "1" на этом входе происходит запись состояний триггеров сдвигового регистра в регистр-"защелку", где они сохраняются до прихода положительного фронта следующего импульса на вход LIN.

Выводы 13 (SOUT), 12 (COUT) и 14 (LOUT) - выходы соответствующих интерфейсных сигналов на следующую микросхему CAT4103 при каскадном включении. При этом сигнал на выходе SOUT изменяется (тактируется) срезом тактового импульса (переходом сигнала с лог. "1" на лог. "0").

Вывод 2 (BIN) - вход используется для гашения всех светодиодов, но не влияет на содержание регистра-"защелки". Гашение светодиодов осуществляется высоким уровнем (лог. "1") на входе BIN.

Вывод 15 (BOUT) - выход сигнала гашения на следующую микросхему CAT4103 при каскадном включении.

Зависимости токов цепочек светодиодов от сопротивлений резисторов установки микросхемы CAT4103 аналогичны соответствующим зависимостям, рассмо-треным выше для ИМС CAT4109. Кроме того, микросхема CAT4103 имеет те же защиты, что и CAT4109.

24-канальный RGB-драйвер STP24DP05 (STMicroelectronics)

STP24DP05 - это одна из ИМС семейства драйверов Power Logic (STP), разработана специально для управления цветными информационными дисплеями на дискретных RGB-светодиодах.

Основой МС STP24DP05, как и всех драйверов этого семейства, являются сдвиговый регистр и регистр-"защелка", так же, как у рассмотренной выше микросхемы CAT4109. Микросхема STP24DP05 имеет три сдвиговых регистра и три регистра-"защелки", по одному на светодиоды каждого цвета (R,G и B).

Всего в STP24DP05 содержится 24 канала управления светодиодами, которые разделены на три интерфейсных порта (R, G, B) по 8 каналов в каждом. То есть, микросхема STP24DP05 - это три обычных 8-канальных монохромных драйвера, встроенных в малогабаритный корпус TQFP48 размером 7x7 мм и дополненных схемами диагностики обрыва нагрузок и замыкания выходов с корпусом и питанием. Сигнализация об обнаружении аварий поступает в управляющий контроллер в виде специальных кодов ошибок через последовательный интерфейс.

Одна микросхема STP24DP05 управляет восемью светодиодными RGB-триадами или группами триад цветного светодиодного экрана. Напряжение питания микросхемы в пределах 3...5,5 В, а напряжение питания светодиодных цепочек может выбираться до 20 В, в зависимости от количества светодиодов в цепочках. Выходной ток (ток каждой из цепочек светодиодов) 5...80 мА.

Функциональная схема микросхемы STP24DP05 изображена на рис. 6, каскадная схема включения N микросхем этого типа - на рис. 7, а назначение выводов приведено в таблице 4.

Рис. 6. Функциональная схема микросхемы STP24DP05

Рис. 7. Каскадная схема включения микросхем STP24DP05

Таблица 4. Назначение выводов микросхемы STP24DP05

Как было отмечено выше, основой микросхемы STP24DP05 для управления 8-канальными интерфейсами RGB является сдвиговый регистр данных RGB-структуры 8x3 (8 разрядов по 3 бит), который преобразует последовательный код входного сигнала на входе SDI в три 8-разрядных параллельных кода. Эти коды запоминаются в 24-разрядном (8x3) регистре-"защелке" данных RGB. Каждый из выходных каскадов микросхемы (всего их 24 - по восемь для каждого цвета) представляет собой стабилизатор (источник) тока. Кроме того, для каждого цвета имеется схема разрешения и детектор обрывов и коротких замыканий выходных линий. Общими для всех каналов являются управляющая логика, схемы температурной защиты и защиты от пониженного напряжения питания. На выводах 2, 3, 4, 32, 33 и 34 установлены буферные каскады.

Рассмотрим некоторые особенности работы микросхемы STP24DP05. Тактовая частота работы этой микросхемы может достигать 25 МГц. Ток светодиодов программируется раздельно для каждого цвета с помощью трех внешних резисторов, которые подключаются к выв. 26, 27 и 28.

Зависимость токов светодиодов, а также порога срабатывания детектора обрыва выходных линий (линий светодиодов) от сопротивления соответствующего установочного резистора приведена в таблице 5.

Таблица 5. Зависимость токов светодиодов и порога срабатывания детектора обрыва выходных линий от сопротивления соответствующего установочного резистора

Когда на входе LEDM (выв. 3) высокий уровень, регистр-"защелка" захватывает данные, которые проходят через регистр сдвига. Когда на этом входе низкий потенциал, то регистр-"защелка" удерживает (хранит) их.

Низкий уровень на входах OE-RDM (выв. 34), OE-G (выв. 33) и OE-B (выв. 32) разрешает прохождение данных с регистра-"защелки" на выходные каскады микросхемы, а высокий запирает выходные каскады.

Как известно, наибольшее потребление тока от источника питания в любой переключающей схеме происходит при переходных процессах в момент переключения. Для облегчения токового и теплового режимов микросхемы при одновременном включении всех светодиодов, а также для уменьшения уровня пульсаций предусмотрена поканальная задержка (Gradual delay) включения светодиодов, которая не заметна на глаз. Она осуществляется подачей на вход DG (выв. 9) уровня лог. "0". Время задержки включения выходных каскадов приведено в таблице 6.

Таблица 6. Задержка включения светодиодов по перепадам лог. 0 - лог. 1 на входах разрешения в зависимости от логического уровня на входе постепенной задержки (Gradual delay)

Сигнал данных микросхемы STP24DP05 (входной и выходной на выв. 2 и 35) содержит поток RGB-сигналов, чередующийся с тактовой частотой, последовательность которых задается логическими уровнями на входах DF0 и DF1 (см. таблицу 7).

Таблица 7. Установка последовательности сигналов R,G и B в коде входного и выходного сигналов

Переключение из рабочего режима в режим определения ошибки осуществляется подачей низкого потенциала на вход DM (выв. 5) или более 1 мкс на вход OE-RDM (выв. 34). После чего в течение 24-х тактов на выходную шину данных поступает код ошибки.

Интерфейс микросхемы STP24DP05 имеет два флага: TF (выв. 29) - флаг превышения температуры и EF (выв. 8) - флаг ошибки. Оба этих выхода выполнены по схеме с открытым стоком, поэтому между каждым из этих выводов и источником питания подключается подтягивающий резистор 10 кОм. При наступлении аварийной ситуации внутренний ключ микросхемы замыкает соответствующий вывод (29 или 8) на "землю". Полученный таким образом уровень лог. "0" сигнализирует внешнему контроллеру об аварии. Если вместо подтягивающих резисторов к выходам подключить светодиоды (через ограничивающие резисторы), то реализуется визуальная индикация аварийной ситуации.

Счетверенный драйвер RGB-светодиодов с управлением по шине I2C LP55281 (National Semiconductor)

Микросхема LP55281 - это специализированный драйвер RGB-подсветки малогабаритных жидко-кристаллических дисплеев. Она обеспечивает раздельную регулировку яркости свечения и цветового оттенка для каждого из четырех RGB-светодиодов от внешнего контроллера по стандартному последовательному интерфейсу I²C или SPI. Основное применение микросхемы LP55281 - это сотовые телефоны, коммуникаторы и МР3-плееры.

LP55281 содержит четыре ШИМ канала для управления яркостью и цветом свечения RGB-светодиодов, аудиоканал синхронизации для фонового светодиода, а также встроенный повышающий преобразователь напряжения, интерфейсы I²C и SPI. Кроме того, LP55281 обеспечивает через последовательный интерфейс тестирование обрыва светодиодов. Основные параметры микросхемы приведены в таблице 8.

Таблица 8. Основные параметры микросхемы LP55281

Микросхема изготавливается в миниатюрных корпусах MicroSMD размером 3x3x0,6 мм и Micro SMDxt (3x3x0,65 мм) с 36-ю шаровыми выводами с шагом 0,5 мм. Расположение выводов микросхемы LP55281 показано на рис. 8, а назначение выводов сведено в таблицу 9.

Рис. 8. Расположение выводов микросхемы LP55281

Таблица 9. Назначение выводов микросхемы LP55281

Функциональную схема и схема включения микросхемы LP55281 приведена на рис. 9.

Рис. 9. Функциональная схема и схема включения микросхемы LP55281

Микросхема содержит повышающий (boost) преобразователь со встроенным выходным ключом на MOSFET-транзисторе, который может работать на частоте преобразования до 2 МГц. Внешний дроссель LBOOST для этой частоты преобразования должен иметь индуктивность 4,7 мкГн, а для частоты преобразования 1 МГц - вдвое больше (приблизительно 10 мкГн). В качестве импульсного выпрямителя должен использоваться внешний диод D1 с малым прямым падением напряжения (подходят диоды Шоттки с пиковым током не менее 1 А). Выходное напряжение преобразователя устанавливается по умолчанию 5 В, но его можно программно изменять по шине управления от 4 до 5,3 В с шагом 0,15 В.

Микросхема, а, следовательно и светодиоды, управляются внешним контроллером. Совсем не обязательно, чтобы это управление осуществлялось по всем семи проводникам, как это показано на рис. 9. Так, например, вход выбора интерфейса IF_SEL (выв. 2B) может быть подключен напрямую на "землю" или на плюс источника питания. В первом случае включается интерфейс шины I²C, а во втором - SPI. В любом варианте микросхема LP55281 используется как ведомое устройство. Как известно, интерфейс шины I²C двухпроводной (тактовая линия SCL и линия данных SDA), а интерфейс шины SPI четырехпроводной (SS - вход выбора ведомой микросхемы, SCK - вход тактовых импульсов, SI - вход данных и SO - выход данных).

При использовании в устройстве шины I²C останется не подключенным выход SO (выв. 4B). 

При этом вход SI/A0 (выв. 4С) можно подключать к "земле", выбрав этим адрес микросхемы 4Ch, а можно к плюсу источника питания, что обеспечивает выбор адреса 4Dh.

Выходные каскады, которые представляют собой регулируемые ШИМ стабилизаторы (источники или генераторы)тока, к выходам которых, кроме светодиодов, подключен мультиплексор. Он, в моменты запирания выходных каскадов, обеспечивает поочередную, периодическую коммутацию на вход АЦП уровней сигналов с выходов микросхемы.

При нормальной работе эти уровни высокие, а в случае обрыва одного из светодиодов или пробое выходного каскада напряжение на выходе мультиплексора понизится, что скажет о неисправности. Напряжение с выхода мультиплексора оцифровывается в АЦП и через управляющую шину (I²C или SPI) поступает на внешний контроллер.

В микросхему LP55281 встроен канал, который называют каналом аудиосинхронизации. Он используется в сотовых телефонах, МР3-плеерах и т.п. как канал "цветомузыки", обеспечивая мигание светодиодов в такт с рингтоном или проигрываемой мелодией. Этот канал имеет два входа (выв. 2D и 4D), на которые подают сигналы или стереосигнал, размахом до 1,6 В. Они микшируются, а затем суммарный сигнал оцифровывается, проходит схему АРУ и цифровой пиковый детектор. После этого происходит обратное преобразование цифрового сигнала в аналоговый. Полученный аналоговый сигнал управляет выходным каскадом (источником тока), а значит, и яркостью свечения фонового светодиода.

Литература и интернет-источники

1. www.MonolithicPower.com - сайт фирмы Monolithic Power Systems.

2. STMicroelectronics. STP24DP05. 24-bit constant current LED sink driver with output error detection. First release . 2008.

3. www.st.com - сайт фирмы STMicroelectronics.

4. National Semiconductor. LP55281. Quad RGB Driver. General Description. June 2007.

5. www.national.com - сайт фирмы National Semiconductor Corporation.

Автор: Игорь Безверхний (Украина, г. Киев)

Источник: Ремонт и сервис