矩阵大灯中各个LED的无闪烁控制
LED将设计灵活性与实用强健的电路相结合，使汽车设计人员能够生产惊人的前灯设计，并且具有超长的使用寿命和性能。凌力尔特公司LED驱动器产品高级设计负责人Keith Szolusha现在是ADI公司的一员，他解释汽车设计师如何将LED纳入照明领域，因为他们可以安排在独特的引人注目的设计中 - 帮助区分新旧模型，或经济高端。
LED矩阵调光器演示电路作为Linduino?屏蔽层运行
毫无疑问，汽车LED照明已经到来，但尚未达到其全部潜力。未来的车型将采用更多的LED灯，包括新的形状和颜色，以及对单个LED的更多控制。简单的LED串将让位于通过计算机控制单独调光的LED矩阵，从而实现无限的实时模式控制和动画。以LT3965矩阵LED驱动器和与LT3797升压然后双降压模式驱动器的组合为例，将展示驱动器技术的先进程度如何使汽车照明设计的下一步变得轻松。
基本的LED前大灯设计可以在均匀的LED电流下工作，因此亮度均匀。但是这留下了很多LED在桌面上的潜力。矩阵车灯通过控制LED灯串内各个LED的亮度，充分利用LED的天生能力。
理论上讲，通过计算机控制的电源开关来处理矩阵中的单个LED并不困难，从而允许单独的LED打开或关闭，或者PWM调暗，以创建独特的图案和功能。每个LED（或LED的一部分）需要自己的转换器或其自己的分流电源开关。有可能用传统的驱动器/转换器IC构建一个包含串行通信功能的矩阵驱动器，但是一旦LED矩阵需要多于两个或三个开关，设计分立元件解决方案变得具有挑战性，涉及元件矩阵超过LED矩阵的大小。
IC 8开关矩阵LED调光器可轻松控制大型或小型LED矩阵（最多512个LED）。图1显示了演示电路上的驱动器。
图1：LED矩阵调光器演示电路作为Linduino?屏蔽层运行。该演示电路运行大灯，转动灯光，尾灯和装饰图案，并可通过USB电缆通过图形用户界面进行评估
其高度集成的设计（图2）最大限度地减少了元件数量。可单独寻址的通道可用于以多种方式控制LED矩阵。
图2：60 V 8开关LED矩阵调光器框图显示了用于亮度控制的8个功率NMOS分流开关，故障标志和I2C串行通信接口
LED矩阵的控制选项：
每个驱动器可以控制8个调光通道 - 八个LED或八个群集 - 在一串LED中
八个通道可以控制两个RGBW LED模块上的红色，绿色，蓝色和白色光，以调节亮度或改变仪表板或装饰照明的颜色
多个驱动程序可以在单个通信总线上单独寻址，以便将字符串乘以大数组
一个驱动器可以控制每个通道的多个LED，或者可以组合通道来高效控制单个LED的电流
与合适的恒流LED驱动器配合使用时，矩阵调光器LED驱动器允许通过大灯，日间行车灯，制动器和尾灯，侧弯灯，仪表板显示屏和其他装饰照明装置对各个LED进行计算机控制。内置的自动故障检测能够在发生故障时保护单个LED并向微控制器报告故障。
60 V驱动器包含八个集成的330mΩ电源开关，可以连接到一个或多个LED。电源开关通过关闭或调光特定通道上的LED来充当分流器件。这些开关创建8个单独控制的亮度通道（高达256：1调光比）和8个LED串的防故障段。
当所有八个电源开关同时打开时（所有LED熄灭），它可处理500 mA的串电流。如本文后面所述，开关可并联连接，并通过四个通道的LED以1A运行。无论LED数量或电流如何，LED串必须由设计合理的转换器驱动，该转换器具有处理矩阵调光器快速瞬变的带宽。本文中包含一些参考设计。
升压，然后双降压模式驱动两串，16个LED，500 mA，带两个矩阵驱动器
矩阵LED驱动器的八个分流电源开关在500 mA时控制八个通道LED的亮度。8-LED矩阵调光器系统的串电压可以在0到26 V之间，具体取决于在给定时间内有多少个LED处于打开或关闭状态。推荐用于驱动这些LED的转换器拓扑结构是一款30 V降压型转换器，具有高带宽和很少或没有输出电容。这种降压拓扑结构要求9-16 V汽车输入“预升压”到降压稳压器可以工作的30 V电压轨。
三路输出LT3797 LED控制器可方便地用作“预升压”和降压功能的单IC解决方案 - 可在一个通道上配置为升压型稳压器，然后配置降压型LED驱动器在另外两个频道上。两个降压LED驱动器中的每一个都可以驱动一串矩阵变暗的LED。这种拓扑结构具有许多优点，最值得注意的是，无论LED串电压高于还是低于电池电压，电路都能够继续最佳工作。
图3显示了图1所示演示板的原理图，该演示板是一个升压后双降压模式矩阵调光前灯系统，带有16个500 mA的LED。每个LED都可以单独控制开/关或PWM调暗至1/256亮度。350 kHz开关频率在AM频段之外（对EMI有好处），并且由同一个350 kHz时钟产生的170 Hz PWM调光频率高于可见范围。系统正确同步后，矩阵大灯无闪烁。
图3：具有升压后降压模式LED驱动器和两个矩阵调光器的矩阵LED调光器系统，可驱动汽车电池在500 mA时的16个LED。I2C串行通信控制各个LED的亮度并检查LED和通道故障
LT3797降压模式转换器针对几乎没有输出电容和适当补偿控制环路的极快速瞬变进行了优化。这些> 30 kHz带宽转换器可承受快速LED瞬变，因为LED随时打开和关闭以及PWM变暗。放置在LED检测电阻上的滤波电容取代了控制系统中的一个极点，当输出电容被减小或去除时，为了矩阵调光器的快速瞬态性能而丢失。
来自开关节点的电荷泵用于为矩阵LED驱动器的VIN引脚提供比LED +电压高7 V以上的电压，以在驱动时使顶部通道NMOS完全增强。即使所有八个分流开关都打开，关闭整个LED灯串，低RD（ON）NMOS开关仍能够在IC不变热的情况下实现高功率运行。在这种情况下，LED驱动器可以保持由所有八个分流开关创建的虚拟输出短路，而不会出现任何问题，并且可以通过下一个打开的LED快速调节500 mA。
图1中的演示电路具有图3所示的系统，并通过Linduino?One演示电路使用附带的IC微控制器操作矩阵前灯。使用的演示板作为Linduino大屏蔽罩运行，具有高达400 kHz的串行代码，可生成不同的车头灯图案并与图形用户界面（图4）连接。
在图4所示的GUI中，LED亮度和故障保护功能可通过“全通道模式”和“单挑战模式”命令以及“故障检查”读取和写入命令来检查开路和短路LED。这个演示电路系统可以检查无闪烁操作，故障保护和瞬态操作。DC2218可直接插入12 V直流电源，并可通过运行GUI的个人计算机进行控制，或通过简单的USB连接进行重新编程。
图4：基于PC的界面允许设计人员访问LED的控制和监视
1使用并行通道的矩阵LED驱动器
LT3965可用于驱动1A LED通道的矩阵。并联电源开关很容易，因此两个电源开关将LED电流分成1 A，每个驱动器控制四个1 A通道。使用并联电源开关以获得更高电流的一种方法是仅在PWM周期的50％内运行每个反相并联开关。通过一个NMOS电源开关交替运行1 A一半的时间，有效加热大约等于通过相同的NMOS在所有时间内运行500 mA。
图5：1矩阵LED驱动器结合了反相并联通道，可用于大功率LED大灯系统中的更高电流应用
图5显示了一个1A矩阵大灯系统，该系统使用由两个矩阵LED驱动器和另一个升压后降压模式IC驱动的八个LED。当PWM调光时，IC使用8个开关的独特1/8周期相位，如图6所示。在这个1 A矩阵系统中，升压和降压模式的LED驱动器通道并行组合，这样成对的通道是反相的，相互成180°;特别是对通道8和4,7和3,6和2以及5和1进行配对。并联通道交替分流，有效地加倍了PWM频率，并具有扩散分流电流和热量的优势。为使此功能正常工作，任何单个并联电源开关的最大占空比为50％，因为50％的时间内有两个反相开关（每50％的时间分路一次）将LED关闭100 ％ 的时间。
图6：八个矩阵LED驱动器功率开关的1/8 PWM无闪烁相位限制了PWM调光亮度控制期间的瞬态
每个矩阵LED潜水员控制由两个1 A降压模式LT3797通道（来自升压的20 V通道）驱动的四个1 A LED的亮度。这种高功率，强大的系统可以通过更多的LT3965或更高电流的LED并联更多通道来扩大功率，从而为更多的LED供电。可以在1 A的每个通道上驱动两个LED，并驱动这个灵活的大灯系统的电源。
每个通道多个LED
矩阵驱动器可以支持每个通道一至四个LED。虽然这可能是有利的单独控制的故障保护或高分辨率模式的每一个LED，它并不总是必要的。使用一个以上的每通道LED降低矩阵的调光器的数量的系统和足以实现图案或调光需要一些设计。头灯，信号灯和尾灯的段可以具有多达四个的LED具有相同的亮度。紧急LED灯可以具有组三个和四个LED闪烁该并用相同的图案波。
图7：该柔性基质的LED驱动器可以驱动上独立的LED串的LED通道，并且可以每信道1个四个LED驱动之间。（完整的驱动电路类似于图3，但只有一个IC，如图所示）
图7中的电路演示了一个双通道LED系统 - 它具有与图3中的电路相同数量的LED，但仅使用单个矩阵调光器而不是两个。
当IC命令告诉LT3965打开，关闭或调暗通道时，它会影响由该通道的分流电源开关控制的两个LED。为了保持IC的电压限制，500mA的16个LED仍然需要分成两个串联的LED串，如图2所示。可以使用图2中相同的升压后降压模式电路，但只有一个矩阵LED驱动器控制两个串的亮度。这演示了IC内部每个NMOS分流电源开关如何独立于其他电源开关进行配置，从而可以进行各种各样的矩阵设计。
所有通道模式和单通道模式IC命令均具有无闪烁PWM和淡入淡出功能
IC指令集包括1个，2个和3个字的命令。这些命令通过串行数据线（SDA）以高达400 kHz的速度与主生成时钟线（SCL）一起发送。主微控制器发送所有通道模式（ACM）或单通道模式（SCM）写入命令，以控制LED通道和LT3965地址的亮度，淡入，开路阈值和短路阈值。
广播模式（BCM），ACM和SCM读命令要求驱动程序报告其寄存器的内容，包括用于故障诊断的开放和短寄存器。发生新故障时，矩阵LED驱动器会置位ALERT标志。微型设备可以通过确定哪个驱动程序报告了故障以及故障的类型和通道来响应故障。在多个IC报告故障的情况下，他们可以将故障报告顺序排列到主设备上以防止重叠错误。这使得警报响应系统可靠且具有决定性。数据手册中给出了完整的寄存器和命令集列表。
ACM写入命令立即使用两个IC字开启或关闭单个LT3965地址的所有八个通道 - 通道同时开启或关闭。打开或关闭大量LED将对DC / DC转换器提供显着的电流电压负载步骤。这里介绍的转换器可以很好地处理这些瞬变现象，几乎没有输出电容和高带宽。
如图8所示，通过ACM写入转换大量的LED，不会对其他通道的LED电流产生可见的闪烁或明显的瞬态。围绕LT3797构建的高带宽降压模式转换器是实现如此小的瞬态控制的原因。
图8：本文中展示的LED矩阵驱动器设计具有最小或不具有跨通道瞬态效应。例如，过渡一半频道 - 在这里，同时打开两个并关闭两个频道 - 对其他四个未触及的频道几乎没有瞬态效应。未转换的通道保持无闪烁
单通道模式写入产生相对较小且快速的单LED瞬变。单片机写入用于将带有或不带有淡入淡出功能的开启，关闭或PWM调光一次只设置一个通道的亮度。PWM调光值在1/256和255/256之间以3字写入，而ON和OFF可以以较短的2字命令传送。单个SCM写入命令中的淡入位使LT3965能够在两个PWM调光电平之间移动，并具有内部确定的对数衰减并且无需额外IC流量。使用SCM写入命令可以在1到4个LED之间设置每个通道的开放和短期阈值。
每个通道的短路和开路LED故障保护
短路和开路保护是这款矩阵调光器的固有优势。每个通道的NMOS电源开关可以在1至4个串联LED之间分流。传统的LED灯串可以防止整个灯串开路或短路，只有一些IC具有输出诊断标志来指示这些故障状态。相比之下，这个驱动程序可以防止单个通道短路并打开，从而保持运行通道的运行和运行，同时记录和报告故障状态。
当一个字符串内发生故障时，驱动程序检测到故障并置位其ALERT标志，向微控制器表明存在需要解决的问题。如果故障是开路，则驱动器会自动打开其对应的NMOS电源开关，绕过故障LED直到完全诊断或直到故障消除。
IC保存每个通道的开路和短路故障寄存器，并在IC故障读取命令期间将数据返回给微控制器。命令集包括使状态寄存器保持不变的读取和清除故障寄存器的读取，从而允许用户可编程的故障诊断。
可以在允许写入的各种模式下读取寄存器，SCM，ACM，BCM：
单通道模式（SCM）读取返回单个通道的开路和短路寄存器位。SCM读取还检查开放和短期阈值寄存器，模式控制以及该通道的8位PWM调光值
所有通道模式（ACM）读取都会返回给定地址的所有通道的开路和短路寄存器位，而不会清除该位，以及所有八个通道的ACM ON和OFF位
在具有许多共享相同总线的矩阵调光器的更复杂系统中，广播模式（BCM）读取首先请求哪个（如果有的话）IC地址声明了故障标志
ACM和SCM读取可用于检查和清除故障并读取所有寄存器，以获得强大的IC通信系统
同一总线上最多可寻址16个驱动程序
每个IC具有四个用户可选的地址位，可实现16个独特的总线地址。每个ACM和SCM IC命令都被发送到共享通信总线，但只有被寻址的IC才会采取行动。总线上的所有IC都遵循BCM命令。4位地址架构允许单个微控制器和单个IC双线通信总线支持多达8个。16 = 128个独立可控通道。有了这款驱动器，除了最雄心勃勃的照明显示屏之外，汽车大灯，尾灯和装饰灯中的所有单个LED都可以通过单个IC通信总线和单个微控制器进行控制。考虑到每个通道最多可以连接四个LED，一个相对容易实现的系统可支持多达512个LED的矩阵调光。
结论
矩阵LED调光器控制单个LED串上的八个LED亮度通道，为照明设计师提供无限制的接入复杂和引人注目的汽车照明设计。IC通信接口允许微处理器控制串中各个LED的亮度。IC接口中的故障保护确保了LED照明系统的稳健性。矩阵调光器的通道是多功能的：每个通道可以控制多个LED;通道可以结合使用以支持更高电流的LED;或者在相同的通信总线上可以使用多达16个矩阵调光器IC生产高LED数量的系统。现在已经到了设计汽车前灯，尾灯，前部，侧面，仪表板和装饰灯的下一个步骤。
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