Подписка на новости

Опрос

Нужны ли комментарии к статьям? Комментировали бы вы?

Реклама

 

2006 №2

Решения STMicroelectronics для информационных табло на светодиодах

Юдин Анатолий


Для управления такими светодиодами с повышенной излучающей способностью (HB LED) компанией STMicroelectronics разработаны специальные устройства, обеспечивающие на выходе требуемую величину постоянного тока. Выходной постоянный ток данных устройств гарантирует одинаковую яркость свечения всех светодиодов без использования дополнительных внешних резисторов на каждый светодиод, что обеспечивает преимущество по рентабельности системного решения освещения. В данной статье описывается простое схемное решение для управления массивом светодиодов с повышенной излучающей способностью на основе использования семейства драйверов LED STPxxC/L596.

Для демонстрации возможностей управления массивами светодиодов с повышенной излучающей способностью компанией ST разработаны две сетевые платы (на 80 и на 32 светодиода). На первой сетевой плате размещен массив 80 голубых HB LED в виде матрицы 5×16. Эта матрица управляется пятью 16-канальными драйверами STP16CL596 и демонстрирует возможность фрагмента короткого «бегущего текста». Кроме того, все светодиоды могут быть включены одновременно для демонстрации их одинаковой яркости, достигаемой одинаковой величиной тока стока во всех каналах. Вторая плата имеет несколько меньшую матрицу светодиодов (4×8) и содержит DC/DC-преобразователь для различных источников питающего напряжения от 5 до 35 В. Образцы плат демонстрировались на нескольких последних выставках, и со стороны посетителей было много пожеланий об опубликовании их подробного описания. Данная статья является откликом на эти пожелания.

Новые интегральные микросхемы светодиодных драйверов STPxxCL596 являются низковольтными 8- или 16-разрядными сдвиговыми регистрами, разработанными для управления отдельными светодиодами или светодиодной панелью дисплея. Основной задачей данных микросхем является обеспечение стабильного постоянного тока светодиодов и управление интенсивностью света нескольких светодиодов с использованием только одного внешнего резистора.

Драйверы STPxxCL596 гарантируют величину выходного напряжения управления до 16 В, что позволяет разработчикам подключать множество светодиодов последовательно. Высокая тактовая частота в 25 МГц способствует удовлетворению системных требований по передаче данных большого объема. Обе конструкции управляются микроконтроллером ST7LITE09, который обеспечивает полное управление содержанием «бегущего текста», регулирование яркости светодиодов с использованием ШИМ и скоростью перемещения текста. Напряжение питания 3,3 В для микроконтроллера и драйверов обеспечивается с использованием линейных регуляторов напряжения LE33 или L78L33.

Структурная схема

Принцип построения плат с массивом светодиодов демонстрирует рис. 1. Данная блок-схема обеспечивает универсальное системное решение ST для запуска массива светодиодов. Количество светодиодов может быть увеличено путем каскадного подключения дополнительных драйверов. Входное напряжение подается на аноды всех HB LED. Его величина очень важна из-за рассеивания мощности в драйверах. Катоды светодиодов соединены с землей через цепи стока постоянного тока выходных каскадов драйверов.

Структурная схема
Рис. 1. Структурная схема

Величина постоянного тока устанавливается с помощью только одного внешнего резистора. В качестве DC/DC-преобразователя используется простой линейный регулятор LE33 или L78L33, который обеспечивает напряжения питания 3,3 В для микроконтроллера и драйверов. Возможно использовать импульсный источник питания (SMPS), позволяющий работать в диапазоне питающего напряжения от 5 до 35 В. В качестве такого SMPS удобен понижающий ключевой DC/DC-преобразователь L5970D. Детальное описание SMPS дано в [3].

В данном приложении в качестве управляющего устройства применен микроконтроллер ST7lite09, который посылает данные через последовательный периферийный интерфейс (SPI) на регистры сдвига. Данные посылаются разряд за разрядом на следующий драйвер по заднему фронту тактовой частоты (максимальная частота связи этого драйвера — 25 МГц).

Панель управления состоит из переключателя и двух потенциометров. Переключатель меняет режимы, а потенциометры позволяют изменять яркость и скорость «бегущего текста» (скорость мигания).

Временная диаграмма

Типовая временная диаграмма показана на рис. 2. На ней изображены формы сигналов DATA (Данные), CLOCK (Такт) и LATCH (Защелка). Данные меняются по заднему фронту тактовой частоты. В качестве примера на рис. 2 представлен один байт (01101001). Когда все данные запишутся в драйверы по SPI, микроконтроллер устанавливает вывод входного терминала регистра-защелки (LE) в логическую «1» и переписывает данные в регистры хранения. На следующем шаге вывод LE заземляется, и поэтому следующие данные могут быть переданы в регистры сдвига без изменений в выходном каскаде. Данные в регистрах хранения преобразуются в выходном каскаде в постоянный ток с помощью вывода активации выхода (ЕО). Благодаря этому выводу посредством сигнала ШИМ можно регулировать яркость. Оба варианта платы с массивом светодиодов имеют регулируемое потенциометром время задержки после выдачи «сигнала защелки». Благодаря этой особенности может регулироваться скорость мигания (меняется время между посылками пакетов данных).

Временная диаграмма
Рис. 2. Временная диаграмма

Оптимизация энергопотребления

Одним из наиболее важных вопросов при управлении светодиодами является вычисление максимального рассеяния мощности на кристалле драйвера. Максимальное потребление может быть вычислено на основе температуры окружающей среды и теплового сопротивления кристалла. Тепловое сопротивление зависит от типа корпуса и определяется вместе с максимально допустимой температурой p-n-перехода согласно описанию [1]. Максимально разрешенное потребление мощности этого устройства вычисляется следующим образом:

где Pd max — максимальное рассеивание мощности (Вт), Ta — температура окружающей среды [°C], Tj max — максимальная температура перехода (°С), Rthja — тепловое сопротивление перехода с учетом внешней среды (°С/Вт).

Для каждого типа светодиодов значение максимального прямого тока приводится в его описании (необходимо установить его низшую величину). Каждый выходной канал драйвера работает как линейный токовый сток. Так как токовый сток для каждого выхода светодиода драйвера устанавливается в виде константы внешним резистором, то рассеяние мощности в кристалле зависит от величины напряжения питания светодиода (Vc) минус прямое падение напряжения на нем. Для оптимизации рассеяния мощности на кристалле рекомендуется использовать напряжение питания светодиода насколько возможно низким. В качестве примера вычисления рассеяния мощности на кристалле рассмотрим обычную схему подключения светодиодов, показанную на рис. 3. Уравнение для этого базового соединения следующее:

Базовая конфигурация включения светодиодов
Рис. 3. Базовая конфигурация включения светодиодов

где Ptot — рассеяние мощности на кристалле (Вт), Ic — ток питания драйвера (A), Uc — напряжение питания драйвера (В), I — постоянный ток светодиода, установленный внешним резистором (A), #outputs — число выходов, Vc — напряжение питания светодиода (В), ni — число последовательно соединенных светодиодов для каждого выхода, VF — прямое напряжение на светодиоде (В).

В случае если только один светодиод соединяется с каждым выходом (это наиболее типовая конфигурация, которая также может использоваться на плате с массивом светодиодов), уравнение может быть упрощено следующим образом:

Как указывалось выше, изменяется только напряжение питания светодиода Vc . Поэтому для n светодиодов, соединенных последовательно, правильнее выбирать Vc на 0,5 В выше, чем VF или n×VF .

Если яркость светодиодов управляется с использованием ШИМ, то общее рассеяние на кристалле вычисляется по формуле:

где D — величина рабочего цикла.

Если в приложении нет возможности получить нужную величину напряжения питания светодиодов, то для ограничения рассеяния мощности на кристалле необходимо последовательно с каждым светодиодом соединить внешний резистор R, как показано на рис. 4. Благодаря этому рассеяние мощности на кристалле уменьшается следующим образом:

Конфигурация с резисторами
Рис. 4. Конфигурация с резисторами

Конфигурация выходов с общим стоком

Как упоминалось выше, STPxxCL596 специализируется на запуске светодиодов повышенной яркости. Максимальный прямой ток в HB LED может достигать значений от 20 мА до нескольких сотен миллиампер. Типовое значение прямого тока для Super HB LED составляет 350 мА. В конфигурации с общим стоком выходы HB LED могут быть соединены вместе, как показано на рис. 5. Это увеличивает производительность и возможности по току рассматриваемых драйверов. Такая конфигурация позволяет запускать HB LEB различных типов даже при ограниченном токе на выходе.

Конфигурация с общими выходами стока
Рис. 5. Конфигурация с общими выходами стока

Описание разработанных плат с массивом светодиодов

На базе драйвера STP16CL596 компанией ST разработаны два варианта платы с массивом светодиодов. Один с массивом из 80, а другой с массивом из 32 светодиодов. Кратко рассмотрим оба варианта и различия между ними.

Общий вид платы с массивом из 80 светодиодов показан на рис. 6, а ее блок схема соответствует изображенной на рис. 1. Единственное упрощение для этой платы состоит в отсутствии импульсного DC/DC-преобразователя. Поэтому значение питающего напряжения должно лежать в пределах от 4 до 5 В.

Плата с массивом из 80 светодиодов
Рис. 6. Плата с массивом из 80 светодиодов

Принципиальная схема этой разработки представлена на рис. 7.

Принципиальная схема платы с массивом из 80 светодиодов
Рис. 7. Принципиальная схема платы с массивом из 80 светодиодов

Пять драйверов с 16 выходами в каждом управляются микроконтроллером ST7LITE09. Микроконтроллером обеспечиваются тактовая частота (вывод SCK), последовательность данных (вывод MOSI), сигнал ШИМ (вывод PWM) и сигнал защелки (вывод PA0). Тактовая частота в данном приложении составляет 633 кГц, а частота сигнала ШИМ для регулирования яркости — 619 Гц. Резисторы от R1 до R5 (один на каждый драйвер) определяют значение постоянного тока для всех выходов драйвера. Их значение составляет 1,3 кОм, и они устанавливают сток постоянного тока приблизительно на уровне в 10 мA [1]. Значения аналогового сигнала с потенциометров R6 и R8 измеряются и преобразуются АЦП микроконтроллера в цифровой опорный сигнал. Микроконтроллером устанавливается сигнал ШИМ для яркости и время задержки данных при регулировании скорости перемещения текста соответственно. Спецификация используемых для данной платы компонентов представлена в таблице 1.

Таблица 1. Спецификация ST7LITE09

Описание платы с массивом из 32 светодиодов

Общий вид платы с массивом из 32 светодиодов показан на рис. 8, а ее блок-схема соответствует изображенной на рис. 1. Все компоненты размещены на лицевой стороне платы.

Плата с массивом из 32 светодиодов
Рис. 8. Плата с массивом из 32 светодиодов

Эта плата имеет импульсный DC/DC-преобразователь, выполненный на ключевом регуляторе L5970D с шаговым понижением для входных напряжений питания в диапазоне от 5 до 35 В. Эта плата имеет собственное обозначение: STLED32MAT-EVAL1.

Принципиальная схема этой разработки представлена на рис. 9.

Принципиальная схема платы с массивом из 32 светодиодов
Рис. 9. Принципиальная схема платы с массивом из 32 светодиодов

Два драйвера светодиодов STP16CL596 с 16 выходами в каждом управляются одним микроконтроллером ST7LITE09. Все основные элементы и функции (связи, регулирование яркости, регулирование скорости мигания) аналогичны плате с массивом из 80 светодиодов. Дополнительным является только наличие импульсного DC/DC-преобразователя. Значение его выходного напряжения составляет 4 В, а максимального тока — 1 A (микросхема L5970D) [3]. Тактовая частота для этого приложения составляет 83,6 кГц, а частота сигнала ШИМ для регулирования яркости — 654 Гц. Спецификация используемых для данной платы компонентов представлена в таблице 2.

Таблица 2. Спецификация STP16CL596

Кроме драйверов светодиодов, примененных в рассмотренных разработках, компанией ST производится целое семейство подобных микросхем, полный перечень которых представлен в таблице 3.

Таблица 3. Перечень микросхем драйверов светодиодов компании ST

Литература

  1. STP16CL596, datasheet, STMicroelectronics, 2004. C. 18.
  2. ST7LITE0, datasheet, STMicroelectronics, 2002. C. 115.
  3. L5970D, datasheet, STMicroelectronics, 2001. C. 10.
  4. AN2141 «LEDs Array Reference Board Design», application note, STMicroelectronics, 2005. C. 14.

Скачать статью в формате PDF  Скачать статью Компоненты и технологии PDF

 


Другие статьи по данной теме:

Сообщить об ошибке