基于I2C接口的LED驱动器设计与实现

LED无疑是当前最热的一个应用，无论是手持设备、游戏机、霓虹灯、广告牌等等，眩目的色彩及高质的光亮，总能第一时间吸引人的眼球。在当前众多的LED控制器面前，如何选择一款功能丰富且性价比又高的产品来迎合自己的设计，无疑是摆在每个设计师面前的问题。 　　最简单的LED驱动，我们可以用普通的I/O来实现。但I/O控制只能实现LED的ON与OFF，无法用来进行混光、闪烁等功能，而且每个LED都需要占用一个单独的I/O资源，无疑性价比很低。我们也可以用专用的大电流LED控制器来设计，但昂贵的成本首先会成为问题，而且设计复杂，程度也会跟着各种干扰的出现相应地提高。基于这些，恩智浦(NXP)推出一系列使用I2C接口的LED驱动器，它可以通过I2C接口的两根线，去同时控制从4个到24个不等LED的ON/OFF、闪烁及RGB混光。在混光方案里，每个LED都是由一个独立的8bit/256阶PWM来驱动。目前，通过芯片本身能驱动的每个LED电流范围为25mA到100mA之间。当然，对于一些大电流的应用场合，我们只需用外加场效应管的方式来实现。 　　这种基于I2C的LED控制方式，增加了设计的方便性与灵活性，而且也会减少在软硬件方面的投入，使披着神秘面纱的LED对我们来讲顿时显得简单和精彩。下面，我们将会以恩智浦LED驱动器PCA9633为例，通过几个简单的应用来全面阐述这种LED驱动器的优势所在。 　　PCA9633是四路LED驱动器，且每路可驱动最大25mA电流，并根据封装的不同提供了可选的固定I2C地址和带4位或7位硬件可编硬件地址(图1)。 　　从图1我们可以看到，每一路LED都是由一个单独的8bit/256阶的PWM来控制，且由于PWM足够快，使其理论上可以通过它所驱动的四个LED混出任意颜色的光。除了每一路单独的PWM，PCA9633还提供了一个Group PWM，通过它我们可以用来控制所调混色光的亮度及频率，弥补了只调单个PWM不能实现的一些功能。那么PCA9633究竟如何来实现调光呢？秘密还是在PWM上面。如果不使用PWM，那么它只能完成开和关的动作；低速的PWM只能实现LED闪烁，并不足以达到混色的目的;高速的PWM就可以实现RGB混色;如果PWM速度可控，那么就可以实现闪烁和混色的双重功能。而且通过可控的8bit/256阶PWM，加大了色阶提升了色彩的层次感(见图2)。 　　知道了混色的原理，那么一个具体的色彩又是如何产生的呢？我们知道人眼对色彩的感知是各种色彩亮度均值的叠加，我们可以通过控制PCA9633每个PWM的占空比，去控制所驱动LED的亮度。根据三基色原理，如果我们驱动的是RGB(或者RGBA)LED，那么通过调节这三个LED的不同光亮，就可以得到所要的色彩。图3是PCA9633控制RGB三个LED来调粉色光的例子。 　　通过以上的描述，我们基本知道了PCA9633的内部结构和驱动原理。下面我们将会以PCA9633固定I2C地址的几个应用，来进一步理解这种LED控制器的优势所在。 　　第一个应用，我们将用PCA9633来控制亮度条。我们知道一般像亮度条这样的应用，往往需要用到大量LED串联来进行。如果用单个接口去控制每个LED，会使成本和软件复杂度大大增加。而通过I2C，在硬件上只需要两条控制线，在软件上只需发一条字节命令，就可以轻松进行操控。除此之外，由于I2C器件地址的唯一性，可以按所驱动LED的数量使用几个PCA9633来进行控制。如果实际应用中PCA9633本身的驱动电流不够，只需在外围加一个FET就可以轻松解决。另外，PCA9633独有的Group PWM使得控制整个亮度条的光强和闪烁变的得心应手。下面是其原理图(见图4)，其中I2C master由系统提供，可以是MCU，也可以是逻辑电路。 　　图4中左半部为I2C的master，不作细述。右边最上为LED限流电阻，通常LED的前向电压为3V左右，根据不同的颜色和制造工艺会有一些差别。我们可以通过所需LED电流去计算这个限流电阻的值：R=(Vsupply-Vfsum)/If。如果所需的LED电流大于25mA，那么图中所加的FET可以轻松解决这一问题。当我们外加了FET以后，只需把PCA9633的相应寄存器的OUTDRV设为高就可以了，以区别于它的默认值。 　　现在我们可以看到用PCA9633去控制如此多的LED，原理图相当简洁，同样在软件设置寄存器上也同样方便。PCA9633提供了简易且完整的内部寄存器，例如LED输出结构设置、节电模式设置、芯片使能模式设置、LED的输出状态设置，以及每个PWM和Group PWM的控制寄存器设置等。除此之外，PCA9633还提供了一个寄存器设置递增位，也就是说如果我们设置了这一位，那么我们可以通过一个指令序列来完成内部所有寄存器的顺序配置，这在一些特定的应用中是非常有用的，能最大程度节省软件和系统资源。下面，我们将通过另外一个例子来说明内部寄存器的设置。 　　第二个例子是我们用PCA9633来完成呼吸灯的功能。虽然PCA9633内部不带呼吸灯模块，但我们可以通过一些简单的寄存器设置来实现这个功能，这样相比于专用的呼吸灯芯片在成本上无疑有很大的优势。为了便于说明，我们只用PCA9633来控制一个LED的呼吸动作，原理图很简单，在此略去，通过控制这一个LED的渐亮与渐暗过程以达到呼吸的目的。要实现这个功能，PCA9633的独立PWM将是最主要的因素。如前我们已经提到每个LED都是由一个8bit/256阶PWM来控制，那么也就是说，每个灯有256段亮暗色阶可调，可以完美实现呼吸功能。具体，我们通过控制PWM的占空比来完成。如果我们的LED是由PCA9633的PWM0来控制，那么PWM0的占空比将决定这个LED的亮度：Bright(duty cycle)=PWM0[7:0]/256。 　　到此，一个完整的呼吸过程就完成了，用几个简单的寄存器设置，就完成了看起来似乎只有用复杂系统或专用芯片才能做的事情。从以上两个例子，我们可以看到用恩智浦的I2C LED驱动器，不论是硬件上还是软件上都是非常简单和易操作的，而且用此类器件所能实现的功能，丝毫不比一些系统和专有芯片逊色。 　　综上所述，恩智浦I2C LED驱动器提供了高性价比的LED设计方案，相比于用GPIO或专用LED驱动器，不仅节省了系统资源，也使设计的成本和复杂度大大减少，并可以有效提高设计的可靠性和驱动光的均匀性。此外，采用此类LED驱动器，可以很有效地帮助我们减少设计周期并提升设计灵活性。恩智浦目前可以向客户提供从4路到24路不等的I2C LED驱动器，并已应用于汽车、家电、通信等各大领域。