16通道恒流LED驅動芯片的PWM調光功能設計

苑喬+李曉青+梁銀川

摘 要： 介紹了一種應用于多通道恒流LED驅動芯片的PWM調光功能的實現方案，通過脈寬調制來改變流過各個通道LED的平均電流，進而實現了LED的調光控制。該模塊由128 b串行移位寄存器，8 b數據鎖存器，8 b計數器，以及8 b PWM 灰度比較器構成，輸出具有256階灰度調節功能的PWM控制信號。外部數據時鐘采用25 MHz，內部振蕩器采用1.2 MHz。整體功能由Verilog HDL語言編程實現。

關鍵詞： LED驅動； PWM調光； 占空比； Verilog HDL

中圖分類號： TN201?34 文獻標識碼： 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，能夠進行調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境中更加舒適，而且在今天來說，減少不必要的電光線，以進一步實現節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，調光也是比其他熒光燈、節能燈、高壓鈉燈等更容易實現，所以更應該在各種類型的LED燈具中加上調光的功能[2]。

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

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

脈寬調制（PWM Dimming）是目前比較常用的方法，以其控制簡單，靈活和動態響應好的優點成為了LED調光的最佳方式。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呈現出不同的發光強度。由于在所有的脈沖周期內，流過LED的最大正向電流不變，因而不會發生光譜的偏移，同時，為了保證人眼感受不到電流開關過程中導致的LED閃爍，PWM信號頻率不得低于[6?7] 100 Hz。

1 16通道恒流LED驅動芯片

本文設計的16通道恒流LED驅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，帶隙基準電壓源提供了1.25 V的基準電壓輸出，經過分壓產生另外的基準電壓用于過溫保護和電流調節。PWM灰度調節的功能是通過128 b移位寄存器、鎖存器、計數器以及數據比較器來實現的，通過移位寄存器把串行輸入的數據轉換成并行輸出的數據，并把數據鎖存到16個鎖存器中，每個鎖存器是由8 b數據位構成，將這16個數據和計數器的數據進行256次比較，這樣就會產生不同占空比的輸出信號，就是所需要的灰度控制數據。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斷，就會實現256級電流灰度調節。外接電阻從1.83～16.4 kΩ對輸出電流可調，每個輸出端口提供5～45 mA的恒定電流，可以控制LED的發光亮度。因此，流過LED的電流實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的高速數據時鐘，以及1.2 MHz內部振蕩器（用于PWM）。

圖1 16通道恒流LED驅動芯片整體框架圖

2 PWM調光功能的設計

由圖1看出，該PWM模塊由128 b移位寄存器，8 b數據鎖存器，8 b計數器，以及8 b灰度數據比較器組成。模塊整體上是串行輸入并行輸出的結構，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（在設計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，外部數據逐一進入移位寄存器，待 128個時鐘后，系統輸出一個高電平信號，將移位寄存器中的數據輸入到鎖存器，此時，鎖存器數據與計數器數據通過8 b灰度數據比較器進行256次數據比較，從而輸出具有一定占空比的灰度數據控制信號。工作流程圖如圖2所示。

PWM灰度控制目的是控制 LED 產生不同的灰度，該電路中，產生一個灰度控制信號，控制流過LED的電流的打開和關斷，這個灰度控制信號是由 PWM 計數器產生的8 b信號與SDI 輸入的各通道的灰度數據進行了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的開關控制端，進而實現256級灰度調節功能。

圖2 PWM工作流程圖

該芯片中每個通道的灰度控制數據為8 b，16通道的恒流輸出總共有128 b控制數據。8 b的灰度數據可以實現28級亮度調節。

在SDI端口的數據傳輸過程中，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驅動電流占空比可由式（1）計算得到[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]個通道的灰度數據的第[x]位數據。灰度數據“0000 0000”產生的輸出電流占空比為0，而“1111 1111”產生的輸出電流占空比為[9?10]1。

本文的PWM調光模塊功能由Verilog HDL語言編程實現。

3 PWM模塊功能的驗證

本模塊的功能仿真由Modelsim完成，測試數據：

[a=]128′10101100_00101110_10100011_10110110_10101100_00101110_10100011_10110110_10101100_00101110_10100011_10110110_10101100_00101110_10100011_10110110；

16個通道的仿真結果如圖3所示。由圖3可以看出，每個通道實際輸出的PWM控制信號的占空比與由式（1）計算應得理論數據完全符合，因此實現了該模塊的PWM調光功能。而且由于每個通道輸入數據不同，所以輸出具有不同占空比的開關控制信號，從而使每個通道輸出的電流值不同。

圖3 PWM功能仿真結果

將該PWM調光功能模塊加入16通道恒流LED驅動芯片，在Cadence Spectre下進行芯片的聯合仿真，如圖4所示是在典型工藝角（TT model）下，[VDD=]5 V，[T=]25，[Rext=]2 kΩ時，對該芯片進行瞬態仿真，所得到的16個通道的輸出電流的仿真結果。

圖4 16通道PWM控制輸出電流的仿真結果

從圖4中可以看出，由于每個通道輸入的灰度數據不同，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據所決定的。以幾個通道的輸出結果為例進行說明：通道一的灰度數據為<1111 0000>，因此輸出電流的占空比就為[240256，]通道二的灰度數據為<1110 0000>，因此輸出電流的占空比就為[224256，]通道三的灰度數據為<1100 0000>，因此輸出電流的占空比就為[192256，]其他通道的結果依次類推，仿真結果表明該PWM調光模塊實現了在16通道恒流LED驅動芯片中的數字調光功能。

4 結 語

本文設計了一種應用于多通道恒流LED驅動芯片的PWM調光功能模塊，通過Verilog HDL語言編程實現，并由Modelsim進行仿真。結果表明可以實現PWM調光控制信號的輸出，并與理論值相符，另外與芯片的聯合仿真表明該模塊實現了預期的設計功能。

參考文獻

[1] 楊清德.LED工程應用技術[M].北京：人民郵電出版社，2010.

[2] 劉勝利.LED驅動電路設計與應用[M].北京：中國電力出版社，2009.

[3] 陳傳虞，劉明，陳家楨.LED驅動芯片工作原理與電路設計[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及其應用技術[M].北京：人民郵電出版社，2008.

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[8] 王雅芳.高亮度LED照明與開關電源供電[M].北京：機械工業出版社，2011.

[9] 周志敏，周紀海，紀愛華.LED驅動電路設計實例[M].北京：電子工業出版社，1995.

[10] 鄭久云，韓志剛，羅勝欽.白光LED的應用與驅動[J].現代顯示，2009，20（8）：12?16.

其工作過程為：在同步時鐘 CKI 的作用下，外部數據逐一進入移位寄存器，待 128個時鐘后，系統輸出一個高電平信號，將移位寄存器中的數據輸入到鎖存器，此時，鎖存器數據與計數器數據通過8 b灰度數據比較器進行256次數據比較，從而輸出具有一定占空比的灰度數據控制信號。工作流程圖如圖2所示。

PWM灰度控制目的是控制 LED 產生不同的灰度，該電路中，產生一個灰度控制信號，控制流過LED的電流的打開和關斷，這個灰度控制信號是由 PWM 計數器產生的8 b信號與SDI 輸入的各通道的灰度數據進行了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的開關控制端，進而實現256級灰度調節功能。

圖2 PWM工作流程圖

該芯片中每個通道的灰度控制數據為8 b，16通道的恒流輸出總共有128 b控制數據。8 b的灰度數據可以實現28級亮度調節。

在SDI端口的數據傳輸過程中，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驅動電流占空比可由式（1）計算得到[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]個通道的灰度數據的第[x]位數據。灰度數據“0000 0000”產生的輸出電流占空比為0，而“1111 1111”產生的輸出電流占空比為[9?10]1。

本文的PWM調光模塊功能由Verilog HDL語言編程實現。

3 PWM模塊功能的驗證

本模塊的功能仿真由Modelsim完成，測試數據：

[a=]128′10101100_00101110_10100011_10110110_10101100_00101110_10100011_10110110_10101100_00101110_10100011_10110110_10101100_00101110_10100011_10110110；

16個通道的仿真結果如圖3所示。由圖3可以看出，每個通道實際輸出的PWM控制信號的占空比與由式（1）計算應得理論數據完全符合，因此實現了該模塊的PWM調光功能。而且由于每個通道輸入數據不同，所以輸出具有不同占空比的開關控制信號，從而使每個通道輸出的電流值不同。

圖3 PWM功能仿真結果

將該PWM調光功能模塊加入16通道恒流LED驅動芯片，在Cadence Spectre下進行芯片的聯合仿真，如圖4所示是在典型工藝角（TT model）下，[VDD=]5 V，[T=]25，[Rext=]2 kΩ時，對該芯片進行瞬態仿真，所得到的16個通道的輸出電流的仿真結果。

圖4 16通道PWM控制輸出電流的仿真結果

從圖4中可以看出，由于每個通道輸入的灰度數據不同，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據所決定的。以幾個通道的輸出結果為例進行說明：通道一的灰度數據為<1111 0000>，因此輸出電流的占空比就為[240256，]通道二的灰度數據為<1110 0000>，因此輸出電流的占空比就為[224256，]通道三的灰度數據為<1100 0000>，因此輸出電流的占空比就為[192256，]其他通道的結果依次類推，仿真結果表明該PWM調光模塊實現了在16通道恒流LED驅動芯片中的數字調光功能。

4 結 語

本文設計了一種應用于多通道恒流LED驅動芯片的PWM調光功能模塊，通過Verilog HDL語言編程實現，并由Modelsim進行仿真。結果表明可以實現PWM調光控制信號的輸出，并與理論值相符，另外與芯片的聯合仿真表明該模塊實現了預期的設計功能。

參考文獻

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其工作過程為：在同步時鐘 CKI 的作用下，外部數據逐一進入移位寄存器，待 128個時鐘后，系統輸出一個高電平信號，將移位寄存器中的數據輸入到鎖存器，此時，鎖存器數據與計數器數據通過8 b灰度數據比較器進行256次數據比較，從而輸出具有一定占空比的灰度數據控制信號。工作流程圖如圖2所示。

PWM灰度控制目的是控制 LED 產生不同的灰度，該電路中，產生一個灰度控制信號，控制流過LED的電流的打開和關斷，這個灰度控制信號是由 PWM 計數器產生的8 b信號與SDI 輸入的各通道的灰度數據進行了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的開關控制端，進而實現256級灰度調節功能。

圖2 PWM工作流程圖

該芯片中每個通道的灰度控制數據為8 b，16通道的恒流輸出總共有128 b控制數據。8 b的灰度數據可以實現28級亮度調節。

在SDI端口的數據傳輸過程中，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驅動電流占空比可由式（1）計算得到[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]個通道的灰度數據的第[x]位數據。灰度數據“0000 0000”產生的輸出電流占空比為0，而“1111 1111”產生的輸出電流占空比為[9?10]1。

本文的PWM調光模塊功能由Verilog HDL語言編程實現。

3 PWM模塊功能的驗證

本模塊的功能仿真由Modelsim完成，測試數據：

[a=]128′10101100_00101110_10100011_10110110_10101100_00101110_10100011_10110110_10101100_00101110_10100011_10110110_10101100_00101110_10100011_10110110；

16個通道的仿真結果如圖3所示。由圖3可以看出，每個通道實際輸出的PWM控制信號的占空比與由式（1）計算應得理論數據完全符合，因此實現了該模塊的PWM調光功能。而且由于每個通道輸入數據不同，所以輸出具有不同占空比的開關控制信號，從而使每個通道輸出的電流值不同。

圖3 PWM功能仿真結果

將該PWM調光功能模塊加入16通道恒流LED驅動芯片，在Cadence Spectre下進行芯片的聯合仿真，如圖4所示是在典型工藝角（TT model）下，[VDD=]5 V，[T=]25，[Rext=]2 kΩ時，對該芯片進行瞬態仿真，所得到的16個通道的輸出電流的仿真結果。

圖4 16通道PWM控制輸出電流的仿真結果

從圖4中可以看出，由于每個通道輸入的灰度數據不同，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據所決定的。以幾個通道的輸出結果為例進行說明：通道一的灰度數據為<1111 0000>，因此輸出電流的占空比就為[240256，]通道二的灰度數據為<1110 0000>，因此輸出電流的占空比就為[224256，]通道三的灰度數據為<1100 0000>，因此輸出電流的占空比就為[192256，]其他通道的結果依次類推，仿真結果表明該PWM調光模塊實現了在16通道恒流LED驅動芯片中的數字調光功能。

4 結 語

本文設計了一種應用于多通道恒流LED驅動芯片的PWM調光功能模塊，通過Verilog HDL語言編程實現，并由Modelsim進行仿真。結果表明可以實現PWM調光控制信號的輸出，并與理論值相符，另外與芯片的聯合仿真表明該模塊實現了預期的設計功能。

參考文獻

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