矩阵式 LED 调光器助力实现色彩鲜艳亮丽的 LED 灯

本文作者：

凌力尔特公司

电源产品部

应用工程部门负责人

Keith Szolusha

RGB LED 串用于投影仪、建筑、显示器、舞台和汽车照明系统，因为这类系统需要高效率、明亮的光输出。一个 RGB LED 串要产生预期的色彩，其中每个 LED (红、绿和蓝光) 都需要独立和准确的调光控制。高端系统可以使用一个光反馈环路，以使微控制器能够调节 RGB LED 串，提供准确的色彩。给 RGB LED 串增加一个白光 LED，形成一个 RGBW LED 串，就可以增加彩色照明系统可用的色彩、饱和度和亮度值。每个 RGBW LED 串中的 4 个 LED 都需要进行准确调光。两个 RGBW LED 串需要 8 个"通道"。

驱动 RGBW LED 串以实现色彩和亮度控制的方式多种多样。一种驱动 RGBW LED 串并调节其亮度的方式是使用 4 个单独的 LED 驱动器，分别用于 4 种颜色 (R、G、B 和 W)，如图 1a 所示。在采用这种方式的系统中，每个单独的 LED 或 LED 串的电流 (或称 PWM 调光) 是由单独的驱动器和控制信号驱动的。不过，在这类解决方案中，LED 驱动器的数量会随着 RGBW LED 串数量的增加而迅速增多。任何采用大量 RGBW LED 串的照明系统都需要大量驱动器，对这些驱动器的控制信号进行同步的工作量也很大。

一种简单得多 (也更便捷) 的方法是，用单个驱动器 / 转换器以固定电流驱动所有 LED，同时用一个并联功率 MOSFET 矩阵对各个 LED 进行 PWM 调光以实现亮度控制。如图 1b 所示的矩阵式调光器和单个 LED 驱动器减小了图 1a 解决方案的电路尺寸。此外，用单条通信总线控制矩阵式 LED 调光器使 RGBW LED 色彩混合系统相对简单和紧凑，同时驱动大电流 RGBW LED 串时，色彩和亮度控制也很准确。

图 1a

图 1b

图 1a 和 1b：(1a) 在大功率色彩混合应用中，8 个单独的 LED 驱动器和 PWM 信号可用来驱动两个 RGBW LED 串，或者 (1b) 可用具串行通信功能的单个升压-降压型 LED 驱动器和矩阵式 LED 调光器实现小得多、也紧凑得多的解决方案。

LT3965 矩阵式 LED 调光器可实现这样的设计，如图 5 所示。每个LT3965 的 8 个开关矩阵式调光器可以与整整两个 RGBW LED 串配对使用，从而允许在零至 100% 亮度之间、以 1/256 的 PWM 步进单独控制每个 LED (红、绿、蓝和白光) 的亮度。两线 I²C 串行接口命令为所有 8 个通道提供色彩和亮度控制。提供给矩阵式 LED 调光器 IC 的 I²C 串行接口代码决定所有 8 个 LED 的亮度状态，并可以在发生故障的情况下，检查 LED 是否开路或短路。

既然 RGBW LED 串中的每个 LED 都设计成单点光源，那么红、绿、蓝和白光合起来就产生了多种多样的色彩，而且饱和度、色彩和亮度是可控的。凭借高速 LT3965 矩阵式调光器，可以在零 (0/265) 和 100% (256/256) 亮度之间、以 1/256 调光步进设定每个 LED 的亮度。

准确的 0 ~ 256 级RGBW 色彩及亮度控制

通过对 RGBW LED 串中的红、绿、蓝和白光 LED 单独进行 PWM 调光，RGBW LED 可以产生准确的色彩和亮度。单独进行的 PWM 亮度控制可支持 256:1 或更高的调光比。取代 PWM 调光的另一种方法是，简单地降低每个 LED 的驱动电流，但这种方法会影响准确度，因此仅允许 10:1 的调光比，而且这种方法导致 LED 本身产生色偏移。采用 PWM 调光的矩阵式调光方法与降低驱动电流的方法相比，前者的色彩及亮度准确度会更高。

LED 驱动器 (提供 500mA LED 电流) 的带宽和瞬态响应会影响色彩准确度。图 5 中紧凑的升压-降压型转换器的交叉频率高于 10kHz，输出电容器很小或没有输出电容器，随矩阵式调光器接通或断开其开关，该转换器可对所驱动 LED数量的变化迅速做出响应。

为了说明快速瞬态响应对准确度而言多么重要，我们以不同的 PWM 占空比单独运行红、绿和蓝光 LED，并用一个 RGB 光传感器测量这些 LED 的光输出。图 3 中的结果显示，在 4/256 至 256/256 范围内，每种颜色的斜率是一致的，在低于这个范围时斜率稍有变化。当然，红、绿和蓝光 LED 的色彩性能并不是完美无缺的，因此，甚至在仅驱动一种颜色的 LED 时，有些颜色还是会从其他频带上泄漏出来。不过，总的来看，这是一个高度准确的系统。

图 2：用 LT3965 矩阵式调光器对 500mA RGBW LED 串的电流进行 PWM 调光和调相，以产生各种色彩和照明图案。在对各个 LED 进行单独的 PWM 调光时，LT3952 升压-降压型转换器 / LED 驱动器非常容易跟上 LED 电压的迅速变化。