LED驅(qū)動(dòng)器中的I2C技術(shù)

現(xiàn)在大街上隨處可見的LED顯示屏，還有裝飾用的LED彩燈以及LED車燈，處處可見LED燈的身影，LED已經(jīng)融入到生活中的每一個(gè)角落。LED無(wú)疑是當(dāng)前最熱的一個(gè)應(yīng)用，無(wú)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(shí)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(jià)比又高的產(chǎn)品來(lái)迎合自己的設(shè)計(jì)，無(wú)疑是擺在每個(gè)設(shè)計(jì)師面前的問題。

最簡(jiǎn)單的LED驅(qū)動(dòng)，我們可以用普通的I/O來(lái)實(shí)現(xiàn)。但I(xiàn)/O控制只能實(shí)現(xiàn)LED的ON與OFF，無(wú)法用來(lái)進(jìn)行混光、閃爍等功能，而且每個(gè)LED都需要占用一個(gè)單獨(dú)的I/O資源，無(wú)疑性價(jià)比很低。我們也可以用專用的大電流LED控制器來(lái)設(shè)計(jì)，但昂貴的成本首先會(huì)成為問題，而且設(shè)計(jì)復(fù)雜，程度也會(huì)跟著各種干擾的出現(xiàn)相應(yīng)地提高。

基于這些，恩智浦(NXP)推出一系列使用I2C接口的LED驅(qū)動(dòng)器，它可以通過I2C接口的兩根線，去同時(shí)控制從4個(gè)到24個(gè)不等LED的ON/OFF、閃爍及RGB混光。在混光方案里，每個(gè)LED都是由一個(gè)獨(dú)立的8bit/256階PWM來(lái)驅(qū)動(dòng)。目前，通過芯片本身能驅(qū)動(dòng)的每個(gè)LED電流范圍為25mA到100mA之間。當(dāng)然，對(duì)于一些大電流的應(yīng)用場(chǎng)合，我們只需用外加場(chǎng)效應(yīng)管的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)。

這種基于I2C的LED控制方式，增加了設(shè)計(jì)的方便性與靈活性，而且也會(huì)減少在軟硬件方面的投入，使披著神秘面紗的LED對(duì)我們來(lái)講頓時(shí)顯得簡(jiǎn)單和精彩。下面，我們將會(huì)以恩智浦LED驅(qū)動(dòng)器PCA9633為例，通過幾個(gè)簡(jiǎn)單的應(yīng)用來(lái)全面闡述這種LED驅(qū)動(dòng)器的優(yōu)勢(shì)所在。PCA9633是四路LED驅(qū)動(dòng)器，且每路可驅(qū)動(dòng)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(圖1)。

從圖1我們可以看到，每一路LED都是由一個(gè)單獨(dú)的8bit/256階的PWM來(lái)控制，且由于PWM足夠快，使其理論上可以通過它所驅(qū)動(dòng)的四個(gè)LED混出任意顏色的光。除了每一路單獨(dú)的PWM，PCA9633還提供了一個(gè)Group PWM，通過它我們可以用來(lái)控制所調(diào)混色光的亮度及頻率，彌補(bǔ)了只調(diào)單個(gè)PWM不能實(shí)現(xiàn)的一些功能。那么PCA9633究竟如何來(lái)實(shí)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(dòng)作;低速的PWM只能實(shí)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(shí)現(xiàn)RGB混色;如果PWM速度可控，那么就可以實(shí)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(見圖2)。

知道了混色的原理，那么一個(gè)具體的色彩又是如何產(chǎn)生的呢?我們知道人眼對(duì)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(gè)PWM的占空比，去控制所驅(qū)動(dòng)LED的亮度。根據(jù)三基色原理，如果我們驅(qū)動(dòng)的是RGB(或者RGBA)LED，那么通過調(diào)節(jié)這三個(gè)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(gè)LED來(lái)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(dòng)原理。下面我們將會(huì)以PCA9633固定I2C地址的幾個(gè)應(yīng)用，來(lái)進(jìn)一步理解這種LED控制器的優(yōu)勢(shì)所在。

第一個(gè)應(yīng)用，我們將用PCA9633來(lái)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(lái)進(jìn)行。如果用單個(gè)接口去控制每個(gè)LED，會(huì)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(dòng)LED的數(shù)量使用幾個(gè)PCA9633來(lái)進(jìn)行控制。如果實(shí)際應(yīng)用中PCA9633本身的驅(qū)動(dòng)電流不夠，只需在外圍加一個(gè)FET就可以輕松解決。另外，PCA9633獨(dú)有的Group PWM使得控制整個(gè)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L(zhǎng)ED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(huì)有一些差別。我們可以通過所需LED電流去計(jì)算這個(gè)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。

現(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(jiǎn)潔，同樣在軟件設(shè)置寄存器上也同樣方便。PCA9633提供了簡(jiǎn)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(gè)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(gè)寄存器設(shè)置遞增位，也就是說(shuō)如果我們?cè)O(shè)置了這一位，那么我們可以通過一個(gè)指令序列來(lái)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(gè)例子來(lái)說(shuō)明內(nèi)部寄存器的設(shè)置。

第二個(gè)例子是我們用PCA9633來(lái)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(jiǎn)單的寄存器設(shè)置來(lái)實(shí)現(xiàn)這個(gè)功能，這樣相比于專用的呼吸燈芯片在成本上無(wú)疑有很大的優(yōu)勢(shì)。為了便于說(shuō)明，我們只用PCA9633來(lái)控制一個(gè)LED的呼吸動(dòng)作，原理圖很簡(jiǎn)單，在此略去，通過控制這一個(gè)LED的漸亮與漸暗過程以達(dá)到呼吸的目的。要實(shí)現(xiàn)這個(gè)功能，PCA9633的獨(dú)立PWM將是最主要的因素。如前我們已經(jīng)提到每個(gè)LED都是由一個(gè)8bit/256階PWM來(lái)控制，那么也就是說(shuō)，每個(gè)燈有256段亮暗色階可調(diào)，可以完美實(shí)現(xiàn)呼吸功能。具體，我們通過控制PWM的占空比來(lái)完成。如果我們的LED是由PCA9633的PWM0來(lái)控制，那么PWM0的占空比將決定這個(gè)LED的亮度：Bright(duty cycle)=PWM0[7:0]/256。

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

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

恩智浦目前可以向客戶提供從4路到24路不等的I2C LED驅(qū)動(dòng)器，并已應(yīng)用于汽車、家電、通信等各大領(lǐng)域。雖然LED在生活中處處可見，但是LED也還有一些不足需要我們的設(shè)計(jì)人員擁有更加專業(yè)的知識(shí)儲(chǔ)備，這樣才能設(shè)計(jì)出更加符合生活所需的產(chǎn)品。