三基色LED驱动原理及应用IC线路设计

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        三基色组成方式

        在三基色设计应用中通常是,通过调节设定LED电流来达到白平衡和最大的期望亮度值。

 

  我们一般将最简单、最优化的配色方式作为,设计全彩显示技术的颜色再现方法。白平衡是检验颜色组成的重要标志之一。三基色白光一般是红绿蓝三基色按亮度比例混合而成,当光线中绿色的亮度为69%,红色的亮度为21%,蓝色的亮度为10%时,混色后人眼感觉到的是纯白色。早前的CRT电视机到现在的LCD液晶显示都是这样组成的,LED当然将成熟的技术照搬。

 

 

   LED 红、绿、蓝三色的色品坐标因工艺过程等原因无法达到全色谱的效果,而控制原色包括有偏差的原色的亮度得到白色光,称为配色。当为全彩色LED 显示屏进行配色前,为了达到最佳亮度和最低的成本,应尽量选择三原色发光强度成大致为3:6:1 比例的LED 器件组成像素。白平衡要求三种原色在相同的调配值下合成的仍旧为纯正的白色。单就LED来说是很难实现,为了解决此类问题,一般IC都会设计设置电流大小的功能,便于不同批次LED都可以达到同样的白光效果。

 

  我们一般把可以合成的颜色叫做,原色;在应用中的红、绿、蓝三色叫做,基色。色度图中的三个顶点为理想的原色波长。如果原色有偏差,则可合成颜色的区域会减小,光谱表中的三角形会缩小,从视觉角度来看,色彩不仅会有偏差,丰富程度减少,见下图。

 

 

  LED 发出的红、绿、蓝光线根据其不同波长特性可大致分为紫红、纯红、橙红、橙、橙黄、黄、黄绿、纯绿、翠绿、蓝绿、纯蓝、蓝紫等,橙红、黄绿、蓝紫色较纯红、纯绿、纯蓝价格上便宜很多。三个原色中绿色最为重要,因为绿色占据了白色中69%的亮度,且处于色彩横向排列表的中心。因此在权衡颜色的纯度和价格两者之间的关系时,绿色是着重考虑的对象。

 

  三基色PWM调光

 

  PWM Dimming (脉宽调制),是LED最佳的灰度调节方式。PWM说的容易理解些,就是控制LED开和关的时间比例,将开和关的时间比例划分为若干等级,LED就会显示出相应数量的灰阶。

 

  PWM频率:刚才说了PWM就是打开和关闭LED的时间比例实现的,但是开关次数不能使太低,最起码要欺骗过眼睛。借鉴电视机的经验一般大于100Hz,有些LED显示屏会受到摄像机的拍摄,有条件的建议设计在300-500Hz较为合理

  在三基色设计应用中通常是,通过调节LED电流来达到白平衡和最大的期望亮度,通过控制PWM来实现灰阶等级。LED领域灰度等级数目分别有7色、8级、16级、32级、64级、128级、256级、512级等几种方式。也可以是不同的数量级,这些数量等级主要是便于数字线路数据处理而已。比如非要划分为100级,那也是可以的。

 

  三基色的灰度等级乘积,是产品理论可以再现的颜色数量,通常我们说多少种颜色。例如:单色是256色,红256(级)×绿256(级)×蓝256(级)= 16777216(16KK种颜色)。

 

  单色256级灰度已经完全满足眼睛的色域需要,目前的LCD液晶显示器就是这样,也是目前IC支持最多的灰阶之一。因LED色差较大有使用512级灰度,实际使用矫正后的部分灰度显示。512灰阶比较有代表性的IC有,MBI5030、TLC5940、DM137、DM133、DM412等。点校正的设计方法。这个方法用来在大型显示器中校准每个象素。校准完成后,或者说完成点校正之后,当显示器调整到某个特定亮度时,每个象素都能提供一样的亮度等级。

 

  其它低灰阶等级,可以在设计时按需要不同选择。比如在商业装饰照明上面32级就够了,出文字符号等会更低。单色照明亮度调整16级即可满足要求。

 

  通用型驱动方式-74HC595

 

  74HC595通用逻辑器件,在数字线路上面一直扮演着重要的角色,在LED前阶段没有很好的IC支持时,74HC595串行数据传输在LED上得到了应用。在目前的产品设计中还是有许多厂家使用。实际优势并不明显,74HC595是解决了数据级联传输问题,但是IC并不恒流,一般是靠电阻限流或桥接小电流线路解决。长距离压差问题,恒流显得非常重要,恒流误差也会较大的影响高灰度表现。输出驱动讯号是类似PWM信号,灰度是控制器产生的,要是设计较大的项目,就需要较快的传输速度和刷新率,所以对控制器和线路级联要求相对较高。

 

  目前使用74HC595并不节省成本。一是,时钟、锁存、灰度是并行传输,需要74HC245配合,这也是成本;二是,大数据量的传输速度会增加线路成本和控制器成本,开发难度高。总之,74HC595是借到LED领域使用的,利用三位显示RGB,闲置五位,一定会被专用IC所取代。已经使用习惯了,使用在要求不高的场合还是可以的,新上项目就不建议大家再使用。

 

      

  WS2703 芯片是专门为LED 驱动应用设计的芯片,可以应用于LED 显示系统,特比适合多离散点的级连应用。WS2703 提供了3 个恒定电流驱动输出,驱动电流最大为50mA。WS2703 芯片包括串行移位寄存器和输出寄存器。经串行移位寄存器,串移输入转为3bit 并行输出,并把该输出作为输出寄存器的输入。串移寄存器和输出寄存器由不同的时钟信号控制,并且都是在时钟信号的上升沿有效。WS2703 将控制信号驱动后输出,该输出可作为后级电路的输入信号。

 

 

  恒流驱动设置

 

  在WS2703中,各通道的通过的恒定电流可由与该通道电流反馈pin端所接的反馈电阻来设定,

 

      恒压驱动

 

  WS2703提供恒定电压驱动模式驱动LED,在该模式下,WS2703兼容ZQL9712。该模式(POL=高电平或者悬空),适用于驱动电流不大于50mA的情况。将Fig5中的RXFB设置为0,即直接将XFB短接到地, WS2703即可工作在该模式下。

 

  外挂恒流驱动模式

 

  WS2703的外挂恒流驱动模式使得其能够以极低的成本串联驱动多个LED,该模式下,POL=高电平或悬空。

 

  在设计中往往我们希望IC耐压越高越好,但是这样会和成本发生冲突。为了我们的设计利益最大化,最佳的方式是低压制成设计,在需要较高的耐压时增加三极管钳位。这样可以随设计不同选择最佳的钳位方式,设计成本也得到了充分的考虑。见下图:

 

  级联信号的驱动和连接

 

  为了实现长距离的级联信号传输, WS2703在SDO和CKO数据时钟输出端口集成了具有强驱动能力的推挽输出电路,在2MHz的时钟频率下能够实现6米的驱动距离。

 

  为了防止传输数据和时钟信号在传输线中反射形成驻波,需要在信号的输入输出端传接一个50Ω的电阻。