Keith Szolusha

凌力爾特公司  LED 驅動(dòng)器產(chǎn)品部  高級設計負責人

LED 兼具設計靈活性和堅固、實(shí)用的電路，使汽車(chē)設計師能夠用其設計引人注目和具備極長(cháng)壽命和高性能的前燈。汽車(chē)設計師越來(lái)越多地在照明系統中采用 LED，因為 LED 可用來(lái)產(chǎn)生獨具特色、引人注目的設計，有助于區分新型號和老型號，或者區分高端車(chē)型和經(jīng)濟車(chē)型。

毫無(wú)疑問(wèn)，汽車(chē) LED 照明時(shí)代已經(jīng)來(lái)臨，但是尚未發(fā)揮出最大潛力。未來(lái)車(chē)型將采用更多 LED 燈，LED 燈將有新的形狀和顏色，對單個(gè) LED 的控制將增強。簡(jiǎn)單的 LED 串將讓位于 LED 矩陣，通過(guò)電腦控制可以對矩陣中的每一個(gè) LED 單獨地調光，從而能夠實(shí)時(shí)實(shí)現無(wú)限多種生動(dòng)的照明圖案。這種未來(lái)已經(jīng)近在咫尺：凌力爾特公司的 LT3965 LED 矩陣驅動(dòng)器使汽車(chē)照明設計很容易再向前邁進(jìn)一步。

用單個(gè) IC 通過(guò) I²C 控制 8 個(gè)功率開(kāi)關(guān)

基本的 LED 前燈設計采用一致的 LED 電流，因此亮度也是一致的。但是這種方法將 LED 潛能的很大部分留了在紙面上。矩陣式前燈能夠通過(guò)控制 LED 串中單個(gè) LED 的亮度，因而利用了 LED 與生俱來(lái)的優(yōu)勢。

從理論上說(shuō)，利用電腦控制的功率開(kāi)關(guān)以控制 LED 矩陣中的單個(gè) LED 并不困難，從而讓單個(gè) LED 接通或斷開(kāi)，或對單個(gè) LED 進(jìn)行 PWM 調光，以產(chǎn)生獨特的照明圖案和功能。每個(gè) LED (或 LED 串中的一段) 需要使用自己的轉換器，或者使用自己的并聯(lián)功率開(kāi)關(guān)�？梢杂镁邆浯�行通信功能的傳統驅動(dòng)器 / 轉換器 IC 建立一個(gè)矩陣驅動(dòng)器，不過(guò)一旦 LED 矩陣需要兩個(gè)或 3 個(gè)以上的開(kāi)關(guān)時(shí)，設計一個(gè)由分立式組件組成的解決方案就變得富挑戰性了，因為需要使用一個(gè)尺寸大于 LED 矩陣的組件矩陣。

LT3965 I²C 8 開(kāi)關(guān)矩陣式 LED 調光器使得很容易控制大型或小型 LED 矩陣 (可多達 512 個(gè) LED)。圖 1 顯示了在凌力爾特演示電路板 DC2218 上運行的 LT3965。

圖 1：LT3965 LED 矩陣調光器演示電路板 DC2218 作為 Linduino™ (DC2026) 的屏蔽罩使用。這個(gè)演示電路板驅動(dòng)前燈、轉向信號燈、尾燈和裝飾燈，可通過(guò) USB 電纜連接到凌力爾特圖形用戶(hù)界面，以進(jìn)行評估。

高度集成的設計 (參見(jiàn)圖 2) 最大限度減少了所需組件�？蓡为毜貙ぶ返� LT3965 通道可以很多方式控制 LED 矩陣，包括：

• 每個(gè) LT3965 可控制 8 個(gè)調光通道，即一個(gè) LED 串中的 8 個(gè) LED 或 8 段 LED。
• 8 個(gè)通道可控制兩個(gè) RGBW LED 模塊上單獨的紅、綠、藍和白光，以調節亮度、改變儀表板或裝飾照明系統的色彩。
• 多個(gè) LT3965 可以通過(guò)單一通信總線(xiàn)單獨地尋址，以成倍增加大型陣列中的 LED 串數目。
• LT3965 的每個(gè)通道可控制多個(gè) LED，或者多個(gè)通道可以組合，以高效地控制在較大電流的單個(gè) LED。

圖 2：LT3965 60V 8 開(kāi)關(guān) LED 矩陣調光器方框圖，包括 8 個(gè)功率 NMOS 并聯(lián)開(kāi)關(guān)以用于亮度控制、一個(gè)故障標志和 I²C 串行通信接口。

當與合適的恒定電流 LED 驅動(dòng)器結合使用時(shí)，矩陣調光器 LED 驅動(dòng)器允許電腦控制前燈、白天行車(chē)燈、剎車(chē)燈和尾燈、側彎燈、儀表板顯示器以及其他裝飾照明系統中的單個(gè) LED。LT3965 內置的自動(dòng)故障檢測功能在發(fā)生故障時(shí)保護單獨 LED，并向微控制器報告故障情況。

60V LT3965 包括 8 個(gè)集成的 330mΩ 功率開(kāi)關(guān)，這些開(kāi)關(guān)可連接一個(gè)或多個(gè) LED。這些功率開(kāi)關(guān)作為并聯(lián)器件使用，斷開(kāi)特定通道上的 LED 或對這些 LED 進(jìn)行 PWM 調光。這些開(kāi)關(guān)形成了 8 個(gè)可單獨地控制亮度的通道 (調光比高達 256:1) 和一個(gè) LED 串上 8 個(gè)不受故障影響的 LED 段。

當所有 8 個(gè)功率開(kāi)關(guān)同時(shí)接通時(shí) (所有 LED 都關(guān)閉)，LT3965 可應對 500mA LED 串電流。這些開(kāi)關(guān)可以并聯(lián)連接，使 1A 電流通過(guò) 4 個(gè) LED 通道，如本文稍后所示。不管 LED 數量多少或電流大小，LED 串都必須由恰當設計的轉換器驅動(dòng)，該轉換器的帶寬必須能夠應對矩陣調光器的快速瞬態(tài)。本文中將探討一些參考設計。

“升壓然后雙降壓模式” 轉換器 LT3797 以?xún)蓚�(gè) LT3965 在 500mA 驅動(dòng)兩個(gè) LED 串，總共 16 個(gè) LED

LT3965 的 8 個(gè)并聯(lián)功率開(kāi)關(guān)控制在 500mA 的 8 個(gè) LED 通道之亮度。8-LED 矩陣調光器系統的 LED 串電壓可能在 0V 至 26V 之間，取決于在給定時(shí)間內有多少 LED 接通或斷開(kāi)。要驅動(dòng)這些 LED，建議使用大帶寬、以及不用輸出電容器或輸出電容器很小的 30V 降壓型轉換器。這種降壓型拓撲要求，9V 至 16V 汽車(chē)輸入是 “預先升壓”至 30V 軌，然后降壓型穩壓器能夠運作。

三輸出 LT3797 LED 控制器可以很方便地作為“預先升壓”然后降壓的單個(gè) IC 解決方案使用。該器件的一個(gè)通道可以配置為升壓型穩壓器，之后跟隨的是其余兩個(gè)通道，配置為降壓型 LED 驅動(dòng)器。兩個(gè)降壓型 LED 驅動(dòng)器的每一個(gè)可驅動(dòng)一串矩陣式調光 LED。這種拓撲有很多優(yōu)勢，最顯著(zhù)的是，無(wú)論 LED 串的電壓高于還是低于電池電壓，該電路都會(huì )持續以最佳模式運行。

圖 3 顯示了圖 1 所示演示電路板的原理圖，包括一個(gè) “升壓然后雙降壓模式” 轉換器 LT3797 和 LT3965 矩陣式前燈調光系統，該系統共有 16 個(gè) LED，以 500mA 電流運行。每個(gè) LED 可單獨地控制以接通、斷開(kāi)或 PWM 調光至低達 1/256 亮度。LT3797 的 350kHz 開(kāi)關(guān)頻率位于 AM 頻帶以外 (可以很好地降低 EMI)，從同一 350kHz 時(shí)鐘產(chǎn)生的 LT3965 170Hz PWM 調光頻率位于可見(jiàn)光頻率范圍以外。憑借正確的系統同步，采用 LT3797 和 LT3965 的矩陣式前燈可以無(wú)閃爍運行。

圖 3： LT3965 LED 矩陣調光器系統采用了“升壓然后雙降壓模式”LED 驅動(dòng)器 LT3797，兩個(gè) LT3965 矩陣調光器以汽車(chē)電池提供的 500mA 電流驅動(dòng)16 個(gè) LED。I²C 串行通信接口用于控制單個(gè) LED 的亮度和檢查 LED 及通道故障。

LT3797 降壓模式轉換器為應對極快的瞬態(tài)而優(yōu)化，使用很小的輸出電容器或不使用輸出電容器，具備恰當補償的控制環(huán)路。這些帶寬 >30kHz 的轉換器可耐受 LED 接通和關(guān)斷以及隨意性 PWM 調光時(shí)產(chǎn)生的快速 LED 瞬變。布設在 LED 檢測電阻器上的一個(gè)濾波電容器取代了控制系統中的一個(gè)極點(diǎn)，當為實(shí)現矩陣式調光器的快速瞬態(tài)性能而減少或去除輸出電容器時(shí)，該極點(diǎn)會(huì )丟失。

從開(kāi)關(guān)節點(diǎn)引出的一個(gè)充電泵用于把 LT3965 V_IN 引腳供電至比 LED⁺ 電壓高 7V，以使上管通道 NMOS 在被驅動(dòng)時(shí)得到全面強化。LT3965 中的低 R_DS(ON) NMOS 開(kāi)關(guān)可實(shí)現高功率運作而不使 IC 變熱，即使在所有 8 個(gè)并聯(lián)開(kāi)關(guān)均導通以關(guān)閉整個(gè) LED 燈串時(shí)也不例外。在該場(chǎng)合中，LT3797 LED 驅動(dòng)器可安全經(jīng)受由所有 8 個(gè)并聯(lián)開(kāi)關(guān)所造成的虛擬輸出短路而不發(fā)生任何問(wèn)題，并且能容易地通過(guò)下一個(gè)接通的 LED 快速地調節 500mA。

演示電路 DC2218 (圖 1 所示) 采用了圖 3 所示系統，并通過(guò) Linduino™ One 演示電路DC2026，用所連接的 I²C 微控制器控制一個(gè)矩陣式前燈。DC2218 用作一個(gè)大型 Linduino 屏蔽罩，串行碼流速率高達 400kHz，可產(chǎn)生不同的前燈照明圖案，并與凌力爾特的圖形用戶(hù)界面 (圖 4) 接口。

圖 4：基于 PC 的界面使設計師能夠控制并監視由 LT3965 驅動(dòng)的 LED。 

在圖 4 所示的圖形用戶(hù)界面 (GUI) 中，LED 亮度和故障保護功能可以用 ALL CHANNEL MODE 和 SINGLE CHANNEL MODE 命令檢查，并用 FAULT CHECK 讀和寫(xiě)命令檢查 LED 開(kāi)路和短路狀態(tài)。無(wú)閃爍運行、故障保護以及瞬態(tài)運行都可以用這個(gè)演示電路系統檢查。DC2218 可以直接插入 12V DC 電源，而且可以由一個(gè)運行該 GUI 的個(gè)人電腦控制，或者通過(guò)一個(gè)簡(jiǎn)單的USB 連接重新設定。

采用并聯(lián)通道的 1A LED 矩陣驅動(dòng)器

LT3965 可用來(lái)驅動(dòng) 1A LED 通道矩陣。并聯(lián)連接 LT3965 的功率開(kāi)關(guān)很容易，這樣兩個(gè)功率開(kāi)關(guān)就可以均分 1A LED 電流，而每個(gè) LT3965 則控制 4 個(gè) 1A 通道。用并聯(lián)功率開(kāi)關(guān)提供較大電流的一種方式是，每個(gè)反相并聯(lián)開(kāi)關(guān)僅在 50% PWM 周期內運行。由于交替運行，單個(gè) NMOS 功率開(kāi)關(guān)僅在一半時(shí)間內通過(guò) 1A 電流，所以與同樣一個(gè) NMOS 功率開(kāi)關(guān)在全部時(shí)間內通過(guò) 500mA 電流相比，實(shí)際產(chǎn)生的熱量大約相同。

圖 5 顯示了一個(gè) 1A 矩陣式前燈系統，該系統的 8 個(gè) LED 由兩個(gè) LT3965 驅動(dòng)，還采用了一個(gè)“升壓然后雙降壓模式”轉換器 LT3797。當進(jìn)行 PWM 調光時(shí)，LT3797 采用獨特的 8 開(kāi)關(guān) 1/8 周期相位關(guān)系，如圖 6 所示。在這個(gè) 1A 矩陣式系統中，LT3797 的通道成對并聯(lián)，以便配對的通道是反相，相互相差 180°，具體而言是通道 8 和 4、7 和 3、6 和 2 以及 5 和 1 配對。并聯(lián)通道交替分流，有效地將 PWM 頻率提高了一倍，提供了分散電流和熱量的優(yōu)勢。要想讓這正常工作，任何單一并聯(lián)功率開(kāi)關(guān)的最大占空比都是 50%，因為兩個(gè)反相開(kāi)關(guān)在 50% 時(shí)間接通 (每個(gè)開(kāi)關(guān)在 50% 時(shí)間對 LED 分流) 可使 LED 在 100% 時(shí)間內斷開(kāi)。

圖 5：1A LED 矩陣驅動(dòng)器整合反相運行的并聯(lián)通道，以實(shí)現電流更大的大功率 LED 前燈系統應用

圖 6：8 個(gè) LT3965 電源開(kāi)關(guān)的 1/8 PWM 無(wú)閃爍相位，在通過(guò) PWM 調光進(jìn)行亮度控制時(shí)限制瞬態(tài)

每個(gè) LT3965 控制 4 個(gè) 1A LED 的亮度，這 4 個(gè) LED 由兩個(gè) 1A 降壓模式 LT3797 通道驅動(dòng) (來(lái)自 LT3797 升壓的 20V 通道)。這個(gè)堅固的大功率系統可以擴展，用更多 LT3965 為更多 LED 供電，或者用更多并聯(lián)通道為 LED 提供更大的電流�？梢悦總�(gè)通道以 1A 電流驅動(dòng)兩個(gè) LED 和驅動(dòng)這個(gè)靈活前燈系統的功率。

每通道超過(guò)一個(gè) LED

LT3965 的每通道可以支持 1 至 4 個(gè) LED。盡管單獨地控制每一個(gè) LED 有利于實(shí)現故障保護或高分辨率的照明圖案，但并不總是有必要這么做。每通道驅動(dòng)多于一個(gè) LED 可減少系統所需的矩陣式調光器的數量，而且就某些設計而言，這足以滿(mǎn)足照明圖案和調光要求。前燈、信號燈和尾燈的各個(gè)段可能有多達 4 個(gè)亮度相同的 LED。應急 LED 燈可能有 3 或 4 個(gè) LED 以相同的圖案閃爍和擺動(dòng)。

圖 7 所示電路顯示了每通道兩個(gè) LED 的系統，這個(gè)系統的 LED 數量與圖 3 所示電路相同，但是僅用了一個(gè)而不是兩個(gè) LT3965 矩陣式調光器。

圖 7：靈活的 LT3965 可驅動(dòng)不同 LED 串上的 LED 通道，每通道可驅動(dòng) 1 至 4 個(gè) LED。(完整的驅動(dòng)器電路類(lèi)似于圖 3，但如本圖所示，僅使用一個(gè) LT3956。)

當通過(guò) I²C 接口發(fā)來(lái)的命令要求 LT3965 接通、斷開(kāi)或對一個(gè)通道調光時(shí)，受到影響的是由該通道的并聯(lián)功率開(kāi)關(guān)所控制之兩個(gè) LED。為了保持在 LT3965 電壓限制范圍內，16 個(gè) 500mA LED 仍然需要分成兩個(gè)串聯(lián)的 LED 串，如圖 2 所示�？梢允褂门c圖 2 中相同的 LT3797 電路，但是僅用單個(gè) LT3965 控制兩個(gè) LED 串的亮度。這說(shuō)明，LT3965 中的每個(gè) NMOS 并聯(lián)功率開(kāi)關(guān)可以不受其他影響而獨立地配置，從而允許無(wú)窮多種矩陣設計。

用于無(wú)閃爍 PWM 和漸變功能的全通道模式和單通道模式 I²C 命令

LT3965 的 I²C 指令集包括一字、兩字和三字命令。這些命令通過(guò)串行數據線(xiàn) (SDA) 和主控器產(chǎn)生的時(shí)鐘線(xiàn) (SCL) 以高達 400kHz 的速度發(fā)送。主微控制器負責發(fā)送全通道模式 (ACM) 或單通道模式 (SCM) 寫(xiě)命令，以控制 LED 通道的亮度、漸變、開(kāi)路門(mén)限和短路門(mén)限以及 LT3965 地址。

廣播模式 (BCM)、ACM 和 SCM 讀命令要求 LT3965 報告其寄存器中的內容，包括開(kāi)路和短路寄存器，以進(jìn)行故障診斷。當發(fā)生新的故障時(shí)，LT3965 給出 ALERT 標記。確定哪個(gè) LT3965 報告了故障以及確定了故障類(lèi)型和通道后，微控制器可以對故障做出響應。在多個(gè) LT3965 IC 報告故障的情況下，LT3965 可給主器件對故障報告排序，以防止差錯信息重疊。這保證了警報響應系統的可靠性和正確性。LT3965 數據表中給出了寄存器和命令集的完整列表。

ACM 寫(xiě)命令僅用兩個(gè) I²C 字，就可以即時(shí)接通或斷開(kāi)單一 LT3965 地址的所有 8 個(gè)通道，這些通道同時(shí)轉換到接通或斷開(kāi)狀態(tài)。將大量 LED 接通或斷開(kāi)會(huì )給 DC/DC 轉換器施加一個(gè)明顯的電流電壓負載階躍。這里介紹的轉換器能從容地處理這些瞬變，而且幾乎或完全不需要輸出電容器和高帶寬。

如圖 8 所示，對大量 LED 進(jìn)行通斷轉換的 ACM 寫(xiě)命令不會(huì )使其他通道的 LED 電流產(chǎn)生可見(jiàn)閃爍或大的瞬態(tài)。之所以產(chǎn)生了如此小和可控的瞬態(tài)，是因為采用了以 LT3797 為主構成的大帶寬降壓模式轉換器。

圖 8：本文所示 LED 矩陣驅動(dòng)器設計具備最小的交叉通道瞬態(tài)效應或根本沒(méi)有這種效應。例如，轉換一半的通道，本文情況就是同時(shí)接通兩個(gè)、關(guān)斷兩個(gè)，對其他 4 個(gè)未操作通道有很小或沒(méi)有瞬態(tài)影響。未操作通道依然保持無(wú)閃爍。

單通道模式寫(xiě)命令產(chǎn)生相對較小和快速的單 LED 瞬態(tài)。SCM 寫(xiě)命令一次僅用來(lái)將一個(gè)通道設定為 ON、OFF、有漸變或無(wú)漸變 PWM 調光。PWM 調光值在 1/256 和 255/256 之間，通過(guò) 3 字寫(xiě)命令傳送，而 ON 和 OFF 可以用較短的兩字命令傳送。單個(gè) SCM 寫(xiě)命令上的一個(gè)漸變位使得 LT3965 能夠以?xún)炔看_定的對數漸變在兩種 PWM 調光級別之間移動(dòng)，并且沒(méi)有額外的 I²C 通信量。每個(gè)通道的開(kāi)路和短路門(mén)限可利用 SCM 寫(xiě)命令在一個(gè)和四個(gè) LED 之間設定。

每個(gè)通道的 LED 短路和開(kāi)路故障保護

短路和開(kāi)路保護是矩陣式調光器的一種固有優(yōu)勢。每個(gè)通道的 NMOS 電源開(kāi)關(guān)能在 1 和 4 個(gè)串聯(lián) LED 之間進(jìn)行并聯(lián)分流。傳統的 LED 燈串具備針對整個(gè)燈串開(kāi)路或短路的保護功能，只有某些 IC 擁有輸出診斷標記以指示這些故障情況。與此完全不同的是，LT3965 能提供針對個(gè)別通道短路和開(kāi)路的保護并安然度過(guò)此類(lèi)故障，使運作通道保持活動(dòng)和運行狀態(tài)，同時(shí)記錄和報告故障情況。

當一個(gè) LED 串中發(fā)生故障時(shí)，LT3965 會(huì )檢測到這個(gè)故障，并加上 ALERT 標記，通知微控制器有問(wèn)題需要解決。如果該故障是開(kāi)路故障，那么 LT3965 會(huì )自動(dòng)接通相應的 NMOS 功率開(kāi)關(guān)，繞過(guò)發(fā)生故障的 LED 直至完成全面診斷或故障消除為止。

LT3965 維持針對每個(gè)通道的開(kāi)路和短路故障寄存器，并在發(fā)出 I²C 故障讀命令時(shí)將數據返回給微控制器。命令集包括保持該狀態(tài)寄存器不變的讀命令以及清除該故障寄存器的讀命令，從而允許進(jìn)行用戶(hù)可編程的故障診斷。寄存器可以通過(guò)寫(xiě)、SCM、ACM、BCM 允許的各種不同模式讀取。

• 單通道模式 (SCM) 讀命令針對單通道返回開(kāi)路和短路寄存器位。SCM 讀命令還檢查開(kāi)路和短路門(mén)限寄存器、模式控制以及針對該通道的 8 位 PWM 調光值。
• 全通道模式 (ACM) 讀命令回送某給定地址之所有通道的開(kāi)路和短路寄存器位 (并不清零這些位)，以及所有 8 個(gè)通道的 ACM ON 和 OFF 位。
• 在具有很多 LT3965 矩陣調光器共享同一總線(xiàn)的復雜系統中，廣播模式 (BCM) 讀取操作首先詢(xún)問(wèn)哪個(gè) LT3965 地址已經(jīng)加上了故障標記 (如果有的話(huà))。
• ACM 和 SCM 讀取操作可用來(lái)檢查和清除故障，并讀取所有寄存器，以實(shí)現一個(gè)堅固的 I²C 通信系統。

同一條總線(xiàn)上可有多達 16 個(gè)可尋址 LT3965

每個(gè) LT3965 具有四個(gè)用戶(hù)可選的地址位，因而可提供 16 個(gè)唯一的總線(xiàn)地址。每個(gè) ACM 和SCM I²C 命令被發(fā)送至共享通信總線(xiàn)，但只有被尋址的 LT3965 采取行動(dòng)。該總線(xiàn)上的所有 IC 均遵守 BCM 命令。這種 4 位地址架構允許單個(gè)微控制器和單個(gè) I²C 兩線(xiàn)式通信總線(xiàn)支持多達 8 x 16 = 128 個(gè)可個(gè)別控制的通道。采用 LT3965 時(shí)，對于所有 (要求最高的除外) 的照明顯示器而言，汽車(chē)前照燈、尾燈和裝飾燈中所有的個(gè)別 LED 皆可由單根 I²C 通信總線(xiàn)和單個(gè)微控制器來(lái)控制。鑒于每個(gè)通道能夠連接至多達 4 個(gè) LED，因此一個(gè)相對易于實(shí)現的系統可支持針對最多 512 個(gè) LED 的矩陣式調光。

結論

LT3965 矩陣式 LED 調光器可控制單個(gè) LED 燈串上的 8 個(gè) LED 亮度通道，從而使照明設計師能不受限制地使用精細和引人注目的汽車(chē)照明設計。I²C 通信接口允許一個(gè)微處理器控制 LED 燈串中個(gè)別 LED 的亮度。I²C 接口中的故障保護可確保 LED 照明系統的堅固性。該矩陣式調光器的通道是多用途的：每個(gè)通道能控制多個(gè) LED；通道可組合以支持較高電流 LED；或者可利用位于同一根通信總線(xiàn)上的多達 16 個(gè)矩陣式調光器 IC 以形成多 LED 系統。在汽車(chē)前照燈、尾燈、前燈、側燈、儀表板燈和裝飾燈的設計中邁出下一步 ——未來(lái)就是現在。