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针对标志及建筑物装饰照明等应用的智能LED控制及接口方案

针对标志及建筑物装饰照明等应用的智能LED控制及接口方案
随着LED在发光性能、成本等几乎各个方面的改进，LED的应用范围越来越广，但在各应用领域渗透的比例高低不一。如可寻址标志和建筑物照明这样的商业应用领域中，LED凭借在色彩、总体拥有成本、工作寿命、可靠性和便利性方面的优势，应用非常广泛。如在建筑物装饰照明应用中，使用LED可在建筑物外墙上营造出丰富的色彩，及更好地彰显建筑物的结构。在移动标志应用中，还可以实时更新交通显示屏、视频图像及广告牌上的信息。
安森美半导体身为应用于高能效电子产品的首要高性能硅方案供应商，针对各种LED应用提供宽范围的LED驱动器方案，其中就包括用于可寻址标志和建筑物装饰照明两类常见应用的系列线性驱动器(详见下表)。这些驱动器能够精确地稳定LED电流，并包含可编程接口，利于软件控制。本文将以CAT4008、CAT4103和CAT9552为例，分别阐述其主要功能和基本工作原理，便于工程师的选型设计。

            表1：安森美半导体应用于标志及建筑物装饰照明的系列智能LED控制/驱动器。
针对LED广告牌等应用的恒流汲入型LED驱动器
诸如广告牌标志、滚动横幅、智能车辆标志和体育计分板等LED应用需要采用多颗LED，通常包含多串LED，要求LED驱动方案提供恒定的光输出，不同通道间的电流匹配精度要高，要提供易用的接口来控制不同LED通道，并且要具备可靠的保护功能。安森美半导体针对这类应用的方案包括CAT4008和CAT4106等恒流LED汲入型驱动器，其中前者支持8通道，后者支持16通道。
以CAT4008为例，典型LED通道匹配精度达±1.5%，且LED通道能够在输出电压低至0.4V(当LED电流为2~100 mA时)时保持稳流状态，在应用设计中可以此实现更高的电源效率。图1左侧显示的是CAT4008的框图，不同引脚的详细功能说明参见参考资料[1]。这器件使用8路紧密匹配的汲电流来对每个通道的LED电流进行稳流，而外部电阻RSET用于将LED通道电流设定为RSET电流的约51倍。由于每个通道包含独立电流感测电路，故CAT4008能够为所有通道都提供紧密的稳流。在大多数电流和电源电压条件下LED通道的最大压降为0.4 V，帮助改善散热及提升LED驱动器能效。上电时，欠压锁定电路清除所有闩锁及移位寄存器信息，并将所有输出设置为关闭。一旦达到欠压锁定阈值，就可以设定器件。驱动器将每个连续LED输出通道的激活时间各延迟17纳秒(典型值)，即LED2相对LED1延迟17纳秒，LED3相对LED1延迟34纳秒，并依次类推。延迟在闩锁(LATCH)引脚激活时引入，从而将LED电源上的浪涌电流降至最低，从而能够使用更小的旁路电容。
速度高达25MHz的高速、四线(4-Wire)串行接口通过移位寄存器和锁存架构控制8通道中的每一个LED通道。串行数据输出引脚允许多个器件通过同一个串行接口串联使用。CAT4008还有输出关闭引脚，该引脚可被用来关闭所有LED通道，而不必依赖串口发送数据。此外，CAT4008还具备热保护功能，在芯片温度超过许可限度时关闭LED输出。

图1：安森美半导体8通道恒流LED汲入型驱动器CAT4008框图及应用示例。
高亮度、高视觉冲击力建筑物照明应用的RGB LED像素驱动器
某些旨在营造高视觉冲击力效果的建筑物装饰照明应用使用高亮度的LED，要求LED驱动器能够驱动高亮度的RGB LED，并且要具备高速接口从而支持高数据率并确保维持高数据完整性，还需要具备超低的压降，从而提供更高的能效。
安森美半导体适合这类应用的LED驱动器包括的带独立电流控制功能的三通道恒流RGB LED像素驱动器CAT4103和CAT4109。其中，CAT4103为高端、多色彩、“智能”LED建筑物照明应用而设计，具有高速串行接口，能支持达25 MHz的数据率，提供完全缓冲的数据输出，确保在分布式(长距离)、菊花链型照明系统中维持最高的数据完整性。而CAT4109使用并行接口，每条通道具有专门的脉宽调制(PWM)控制，非常适合更常规的LED视觉效果应用，如混色和建筑物重点照明。

图2：安森美半导体CAT4103框图、典型应用电路图及应用示例。
CAT4103和CAT4109都支持每通道达175 mA的宽广范围LED恒流驱动，电流为60 mA时压降电平至0.3 V ，确保在驱动长串LED时提供最高性能。这些驱动器每通道支持25 V的电压电平，能够以超过10瓦(W)的高亮度功率电平支持RGB像素。 
CAT4103和CAT4109是安森美半导体恒流低压降驱动器(LDO?)产品线的两款产品，这产品线还包括CAT4101和CAT4104等，其中，CAT4101提供高精度的1 A电流驱动能力，而CAT4104是一款四通道的恒流LED驱动器，适合通用及建筑物照明、汽车照明、LCD背光等应用。
I2C指示器驱动器及端口扩展器
市场上可以看到诸如由闪烁LED组成的广告销售标牌和具备开/关LED指示器的各种消费或工业用设备，这些应用需要能够控制各个LED单独导通/关闭或以某种频率来闪烁的驱动方案，安森美半导体的16通道I2C LED指示器及端口扩展器CAT9532和CAT9552就是适合这类应用的两款产品。
CAT9532和CAT9552提供16位并行输入/输出(I/O)端口扩展器，优化用于LED调光控制，输出能够直接驱动并联的16颗LED(每通道电流25 mA)，每个LED都可以单独导通、关闭，或以两种可编程速率中的一种来闪烁。两款器件的I/O均可用作通用I/O(GPIO)，未被用于控制LED的端口能够当成普通端口来使用(参见图3)。

图3：CAT9552典型应用电路图。
这两款器件适合于需要限制总线流量或清空总线主控定时器的I2C和SMBus应用。两款器件都包含内部振荡器和驱动LED输出的两个脉宽调制(PWM)信号，用户可以设定每个独立PWM信号的周期和占空比。CAT9532的可选可编程闪烁频率范围为0.593 Hz至152 Hz，CAT9552为0.172 Hz至44 Hz，两款器件的占空比为0%至99.6%，适合的具体应用包括背光、RGB混色、传感器控制、电源开关/按钮、报警系统、办公设备、家电控制面板和销售点(POS)显示屏等。
总结：
本文分析了常见的LED控制应用及其对驱动/控制方案的基本要求，介绍了安森美半导体用于这些应用的主要产品及其特点。而安森美半导体身为应用于高能效电子产品的首要高性能硅方案供应商，提供涵盖1 至数百瓦功率范围的LED照明驱动及PFC解决方案，适合包括本文所述LED控制应用在内的宽广应用范围，而无论LED照明应用采用的是AC-DC电源、DC-DC电源或是电池供电，并满足客户对低成本、高性价比、高能效的要求。
供稿：安森美半导体
参考资料：
[1]、CAT4008数据手册，安森美半导体，
[2]、CAT4103数据手册，安森美半导体

[3]、CAT9552数据手册，安森美半导体

[4]、安森美半导体LED照明方案选型手册，