大电流情况下驱动时分复用LED阵列的新方法
2013-12-25 13:14:32 来源：http://ic.big-bit.com/ 作者： Joel Gehlin 点击：2171
【哔哥哔特导读】近几年来，为了大量减少所需电流阱和电流源的数量，系统设计人员在设计大型LED矩阵时，采用了时分复用架构。该架构能大大减少带有大型LED阵列的终端产品(如智能商业照明以及RGB招牌)中电子线路的尺寸和成本。
然而，当LED需要大电流时，因为刷新率的原因使得该设计比较难付诸实践。当两个或两个以上的LED同时点亮时，LED驱动需要使得电流在LED矩阵中得到均匀分流。这样的结果是，设计人员们发现使用传统$LED驱动器芯片时，大电流输出(产生高亮度)与高效能、低成本、小尺寸很难同时兼得。(“刷新率”的释义见下文)
有趣的是，传统的$LED驱动芯片能驱动大量矩阵排列的LED。但仔细阅读规格书我们就会发现：矩阵排列中电流阱/电流源的恒定电流基本保持在10-40mA;只有少数几个电流阱/电流源的恒定电流能达到150mA。
实际上，对许多大型显示应用来说，150mA的电流就足够了。但时分复用架构中的刷新率意味着LED的有效峰值电流一般都是芯片标称峰值电流的一半或三分之一。
本文通过并不为大家所熟知的电视背光LED驱动芯片描述了该问题的解决方案。快速增长的LED电视市场孕育出了新一代复杂、高效的大电流驱动芯片。本文将深入研究时分复用方法的具体操作，并展示背光驱动芯片能在多大程度上满足大型照明系统和标识系统的要求。
时分复用矩阵的基本操作
时分复用是驱动$LED矩阵的一种技术，使用该技术时，无需每颗LED都搭配一个电流源。图1展示了时分复用方法的运作。为了控制LED D1，Source.1需要一个高于LED最大正向电压(VF)的电压;同时，Sink.1必须和一个电阻或其他类型的电流阱相连接，为LED带来电流。LED D5同样通过Source.2和Sink.2得到控制。
图1：LED时分复用方法的操作
目前为止都很简单。但是，如果D1和D5需要同时被点亮该怎么办?如果Sink.1/Sink.2与Source.1/Source.2同时打开，那么D2和D4也会被点亮。为了解决这个问题，我们必须引入时分复用的概念。驱动器不会持续打开Source.1、Source.2、Sink.1和Sink.2，而是复用Source.1/Sink.1和Source.2/Sink.2。
当LED D1和D5的闪烁频率等于或高于50Hz时，人眼看到的将是持续的灯光。这种时分复用技术使用超过50Hz的刷新率，因此D1和D5能在D2和D4不亮的情况下被点亮。
当然，该方法也有一个缺点：时分复用及刷新率减少了通过LED的电流总量。换句话说，给定的矩阵刷新率在作用给定的LED矩阵时，在LED上只有一半有效工作周期：在电流阱设定电流为100mA时，通过每一个LED的有效恒定电流为50mA。
似乎有一个明显的方法可以解决这个问题：将Sink.1和Sink.2的电流量增加一倍至200mA，使通过$LED的恒定电流达到100mA。不幸的是，200mA的输出电流已经超过当今市场上传统LED驱动芯片的驱动能力。
时分复用控制方案
刷新率描述的是电流流过矩阵中每个被点亮的LED时每秒重置的次数。图2是矩阵控制方案的一个例子。在图中，D1、D5和D9被点亮时，通过每个LED的电流为100mA。
图2：时分复用控制方案
如果复用控制方案循环的速度足够快，每秒循环达到200到1,000次(取决于同时需要被点亮的LED数量)，那么LED在人眼中看到的便是持续点亮的状态。在图2中，整个矩阵的刷新率为200Hz，这意味着每个LED刷新率约为67Hz，相当于每个LED有33%的工作周期。也就是说，每个电流阱至少需要产生300mA的电流才能为每个LED提供相当于100mA的恒定电流。
时分复用也产生了动画。动画可以由一系列预定义的位图图像在软件代码中制作出来，这些位图图像通常是一些多字节数组，其中的每一个比特对应LED矩阵中的某个LED。为了制成图片，控制器必须逐字节扫描一个阵列，依次展示每一列。
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