基于PCA9633四路LED驅動(dòng)器的內部結構及驅動(dòng)原理解析

LED無(wú)疑是當前最熱的一個(gè)應用，無(wú)論是手持設備、游戲機、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。在當前眾多的LED控制器面前，如何選擇一款功能豐富且性?xún)r(jià)比又高的產(chǎn)品來(lái)迎合自己的設計，無(wú)疑是擺在每個(gè)設計師面前的問(wèn)題。

最簡(jiǎn)單的LED驅動(dòng)，我們可以用普通的I/O來(lái)實(shí)現。但I/O控制只能實(shí)現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)單獨的I/O資源，無(wú)疑性?xún)r(jià)比很低。我們也可以用專(zhuān)用的大電流LED控制器來(lái)設計，但昂貴的成本首先會(huì )成為問(wèn)題，而且設計復雜，程度也會(huì )跟著(zhù)各種干擾的出現相應地提高?；谶@些，恩智浦（NXP）推出一系列使用I2C接口的LED驅動(dòng)器，它可以通過(guò)I2C接口的兩根線(xiàn)，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)獨立的8bit/256階PWM來(lái)驅動(dòng)。目前，通過(guò)芯片本身能驅動(dòng)的每個(gè)LED電流范圍為25mA到100mA之間。當然，對于一些大電流的應用場(chǎng)合，我們只需用外加場(chǎng)效應管的方式來(lái)實(shí)現。

這種基于I2C的LED控制方式，增加了設計的方便性與靈活性，而且也會(huì )減少在軟硬件方面的投入，使披著(zhù)神秘面紗的LED對我們來(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驅動(dòng)器PCA9633為例，通過(guò)幾個(gè)簡(jiǎn)單的應用來(lái)全面闡述這種LED驅動(dòng)器的優(yōu)勢所在。

PCA9633是四路LED驅動(dòng)器，且每路可驅動(dòng)最大25mA電流，并根據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(guò)它所驅動(dòng)的四個(gè)LED混出任意顏色的光。除了每一路單獨的PWM，PCA9633還提供了一個(gè)Group PWM，通過(guò)它我們可以用來(lái)控制所調混色光的亮度及頻率，彌補了只調單個(gè)PWM不能實(shí)現的一些功能。那么PCA9633究竟如何來(lái)實(shí)現調光呢？秘密還是在PWM上面。如果不使用PWM，那么它只能完成開(kāi)和關(guān)的動(dòng)作；低速的PWM只能實(shí)現LED閃爍，并不足以達到混色的目的；高速的PWM就可以實(shí)現RGB混色；如果PWM速度可控，那么就可以實(shí)現閃爍和混色的雙重功能。而且通過(guò)可控的8bit/256階PWM，加大了色階提升了色彩的層次感（見(jiàn)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？我們知道人眼對色彩的感知是各種色彩亮度均值的疊加，我們可以通過(guò)控制PCA9633每個(gè)PWM的占空比，去控制所驅動(dòng)LED的亮度。根據三基色原理，如果我們驅動(dòng)的是RGB（或者RGBA）LED，那么通過(guò)調節這三個(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)調粉色光的例子。

通過(guò)以上的描述，我們基本知道了PCA9633的內部結構和驅動(dòng)原理。下面我們將會(huì )以PCA9633固定I2C地址的幾個(gè)應用，來(lái)進(jìn)一步理解這種LED控制器的優(yōu)勢所在。

第一個(gè)應用，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 )使成本和軟件復雜度大大增加。而通過(guò)I2C，在硬件上只需要兩條控制線(xiàn)，在軟件上只需發(fā)一條字節命令，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，可以按所驅動(dòng)LED的數量使用幾個(gè)PCA9633來(lái)進(jìn)行控制。如果實(shí)際應用中PCA9633本身的驅動(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獨有的Group PWM使得控制整個(gè)亮度條的光強和閃爍變的得心應手。下面是其原理圖（見(jiàn)圖4），其中I2C master由系統提供，可以是MCU，也可以是邏輯電路。

圖4中左半部為I2C的master，不作細述。右邊最上為L(cháng)ED限流電阻，通常LED的前向電壓為3V左右，根據不同的顏色和制造工藝會(huì )有一些差別。我們可以通過(guò)所需LED電流去計算這個(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(wèn)題。當我們外加了FET以后，只需把PCA9633的相應寄存器的OUTDRV設為高就可以了，以區別于它的默認值?，F在我們可以看到用PCA9633去控制如此多的LED，原理圖相當簡(jiǎn)潔，同樣在軟件設置寄存器上也同樣方便。PCA9633提供了簡(jiǎn)易且完整的內部寄存器，例如LED輸出結構設置、節電模式設置、芯片使能模式設置、LED的輸出狀態(tài)設置，以及每個(gè)PWM和Group PWM的控制寄存器設置等。除此之外，PCA9633還提供了一個(gè)寄存器設置遞增位，也就是說(shuō)如果我們設置了這一位，那么我們可以通過(guò)一個(gè)指令序列來(lái)完成內部所有寄存器的順序配置，這在一些特定的應用中是非常有用的，能最大程度節省軟件和系統資源。下面，我們將通過(guò)另外一個(gè)例子來(lái)說(shuō)明內部寄存器的設置。

第二個(gè)例子是我們用PCA9633來(lái)完成呼吸燈的功能。雖然PCA9633內部不帶呼吸燈模塊，但我們可以通過(guò)一些簡(jiǎn)單的寄存器設置來(lái)實(shí)現這個(gè)功能，這樣相比于專(zhuān)用的呼吸燈芯片在成本上無(wú)疑有很大的優(yōu)勢。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(guò)控制這一個(gè)LED的漸亮與漸暗過(guò)程以達到呼吸的目的。要實(shí)現這個(gè)功能，PCA9633的獨立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，可以完美實(shí)現呼吸功能。具體，我們通過(guò)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。撐握了這一原則，我們就可以通過(guò)I2C往PCA9633的寄存器上寫(xiě)點(diǎn)什么了：

START

0xC4 （往PCA9633 I2C設備地址C4寫(xiě)操作）

00h=0x00; 01h=0x00?。ㄔO置LED的輸出結構為開(kāi)漏）

08h=0x02 （設置LED由PWM0來(lái)控制）

Delay 1 second （延時(shí)1秒進(jìn)行呼吸）

02h=bright; For bright=0; bright《255;bright++ （LED從0到255漸亮）

Delay 10 ms （完成漸亮延時(shí)10毫秒繼續）

02h=bright; For bright=255; bright》0;bright- - （LED從255到0漸暗）

STOP

到此，一個(gè)完整的呼吸過(guò)程就完成了，用幾個(gè)簡(jiǎn)單的寄存器設置，就完成了看起來(lái)似乎只有用復雜系統或專(zhuān)用芯片才能做的事情。從以上兩個(gè)例子，我們可以看到用恩智浦的I2C LED驅動(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(lèi)器件所能實(shí)現的功能，絲毫不比一些系統和專(zhuān)有芯片遜色。

綜上所述，恩智浦I2C LED驅動(dòng)器提供了高性?xún)r(jià)比的LED設計方案，相比于用GPIO或專(zhuān)用LED驅動(dòng)器，不僅節省了系統資源，也使設計的成本和復雜度大大減少，并可以有效提高設計的可靠性和驅動(dòng)光的均勻性。此外，采用此類(lèi)LED驅動(dòng)器，可以很有效地幫助我們減少設計周期并提升設計靈活性。恩智浦目前可以向客戶(hù)提供從4路到24路不等的I2C LED驅動(dòng)器，并已應用于汽車(chē)、家電、通信等各大領(lǐng)域。