Eckdaten

Die serielle Zweidraht-I²C-Schnittstelle des Zweifach-LED-Treibers LT3964 von ADI kann bis zu acht Adressen und 16 Schaltkanäle steuern. Der weite Eingangsspannungsbereich und die kompakten, aber leistungsfähigen integrierten abwärtswandelnden Schalter können für bis zu 30 V LED-Spannung in jedem Kanal eingesetzt werden. Die Schaltfrequenz von bis zu 2 MHz erlaubt kompakte Designs und kleine Spulen.

Rote, grüne und blaue (RGB) LEDs können in Bühnen- und Architekturbeleuchtungssystemen verwendet werden, um helle und brillante Farben zu projizieren. Manchmal wird eine zusätzliche weiße LED zur RGB-Mischung hinzugefügt, um die Farbpalette in Schattierung, Sättigung und Helligkeit zu erweitern (Bild 1). Unabhängig von der Anzahl der Farbkomponenten muss die Helligkeit jeder einzelnen davon akkurat gesteuert werden, um vorhersagbare Farben zu erzielen oder Farbabweichungen der LEDs auszugleichen. Die Anzahl der verfügbaren Farben hängt dabei von der Anzahl der auflösbaren Helligkeitsstufen der Farbe einer jeden einzelnen Farbkomponente ab. Einige Systeme bieten eine Auflösung von bis zu 1/256 (8 Bit) der vollen Helligkeit. Höhere Auflösungen sind jedoch möglich und ergeben mehr Farben (Bild 2).

Bildergalerie
Bild 1: Eine Hochleistungs-RGBW-LED XM-L von Cree kann von zwei LED-Treibern LT3964 versorgt werden, um ein akkurates Dimmverhältnis von 1:8192 pro Kanal zu erzielen.
Bild 2: Der I²C-gesteuerte RGBW-LED-Treiber LT3964 ermöglicht eine Farbsteuerung von Hochleistungs-LEDs, die in Bühnen- oder Architekturlichtsystemen verwendet werden. Üblicherweise liefern die Treiber eine 8-Bit-Farbauflösung. Die auf dem LT3964 basierende Lösung ermöglicht hingegen eine 13-Bit-Farbauflösung.
Bild 3: Die beiden Methoden, um ein großes RGBW-LED-Array zu betreiben und dessen Farbe zu steuern (Komponenten-Dimmung): (a) ein Matrix-Dimmer nutzt den LT3964 und (b) eine direkte LT3964-Treiberlösung. Die zweite direkte Lösung enthält eine verbesserte Farbsteuerung, erzielt höhere Effizienz und hat weniger Ausgangswelligkeit.
Bild 4: Die Beispielschaltung DC2424A für einen abwärtswandelnden Zweifach-LED-Treiber mit 2 MHz und 1 A (oder mehr) hat einen hohen Wirkungsgrad und ein kompaktes Layout. Sie kann auf bis zu 30 V LED-Strom pro Kanal aus einem 34-bis-36-V-Eingang modifiziert werden mit über 90 % Wirkungsgrad.
Bild 5: Zwei LT3964-LED-Treiber können gemeinsam verwendet werden, um eine einzelne oder eine Kette von RGBW-LEDs mit über 1 A zu betreiben. Jede Farbe einer RGBW-Komponente ist von der Dimmauflösung begrenzt, typisch 1/256 oder 8 Bit Auflösung. Eine wesentlich höhere Auflösung erreicht eine auf dem LT3964 basierende Lösung für jeden Kanal mit bis zu 1/8192 oder 13-Bit-PWM-Dimmverhältnis, kombiniert mit einer analogen 1:10-Dimmung, alles gesteuert über I²C.
Bild 6: Die Vierkanallösung mit zwei abwärtswandelnden Zweifach-LED-Treibern hat eine geringere Ausgangswelligkeit im Vergleich zur Matrix-Dimmer-Lösung. Der LT3964 liefert einen reineren LED-Strom.
Bild 7: Der sichtbare Farbraum enthält auch Farben, die nicht im RGB-Farbraum enthalten sind. Ist ein erweiterter Bereich nötig, können zwei weitere Elemente wie Bernstein-, zusätzliche Grün- oder sogar Zyan-LEDs hinzugefügt werden, einfach indem ein weiterer LT3964 an denselben I²C-Bus angeschlossen wird.
Bild 8: Die serielle Kommunikation des LT3964 benutzt Standard-I²C-Schreib- und -Lese-Befehle.
Bild 9: Der LT3964 erzielt über I²C eine 13-Bit-Dimmauflösung (1:8192). Das Tastverhältnis und die Frequenz werden eingestellt, indem die beiden PWM-Register für jeden Kanal beschrieben werden. Hier ist Kanal 2 auf ein Dimmverhältnis von 1:8192 eingestellt und Kanal 1 auf ein analoges Dimmverhältnis von 128:256.
Bild 11: Die Demonstrationsschaltung DC2424A für den LT3964 kann mit einer freien verfügbaren GUI über Quick Eval gesteuert werden. Auf jeder Seite können die Registerelemente eingestellt und dann die I²C-Schreib- oder -Lese-Befehle mit einem Tastendruck über USB und eine Linduino-Demonstrationsschaltung DC2026C gesendet werden. Die I²C-Adress-Bits können für jede Adresse separat eingestellt werden und die GUI kann mit vielen LT3964-Bausteinen gleichzeitig kommunizieren.
Bild 12: Die I²C-Register schließen Fehlerschutzeinstellungen und das Auslesen von Fehlern mit ein. Der LT3964 kann Fehler für jeden Kanal über den Alert-Pin und die I²C-Zustandsregister ausgeben. Fehler werden nur ausgegeben, wenn die Zustandsregister einzeln aktiviert sind und ein Fehler eintritt. Unterbrochene und kurzgeschlossene LEDs, Überstrom sowie Überspannung können für beide Kanäle aktiviert, gelesen und ausgegeben werden. Es ist aber auch möglich, sie zu deaktivieren und zu ignorieren.
Bild 13. Zwei Standard-Demoschaltungen DC2424A können miteinander verbunden und verwendet werden, um eine RGBW-LED-Kette oder LEDs über ein Flachbandkabel über I²C unter Nutzung der GUI und eines Linduino-Boards anzusteuern.
Bild 14: Die komplette digitale Steuerung von Hochleistungs-RGBW-LEDs mit dem abwärtswandelnden Zweifach-LED-Treiber LT3964 mit serieller I²C-Kommunikation. Zwei LT3964 reichen aus, um eine einzelne RGBW-LED oder eine Kette von RGBW-LEDS mit 1 A und genauem Dimmen zu treiben, und so eine wiederholbare und vorhersagbare Farbe zu erzeugen.
Bild 10: Die ILED-Signalform zeigt ein Dimmverhältnis von 1:8192.

Die genauste Methode die Helligkeit einer weißen LED zu steuern ist die PWM-Dimmung. LED-Treiber, die interne PWM-Dimm-Takte und digitale Register (um das Dimmverhältnis einzustellen) enthalten, bieten die beste Möglichkeit für RGBW-Systeme. Bei großen und komplizierten Systemen – solche mit vielen unterschiedlichen RGBW-LEDs – erlaubt ein serieller Kommunikationsbus, die Einstellung dieser Register mit digital verbesserten LED-Treibern on-the-fly vorzunehmen.

Bild 3 zeigt zwei Methoden RGBW-LEDs zu betreiben und zu dimmen. Die erste, eine Matrix-LED-Dimmlösung, war bis vor kurzem die beste Weise ein Array von Hochleistungs-LEDs digital zu steuern. Die zweite, eine direkte Treiberlösung, ist wegen der Nutzung von vier separaten digital verbesserten LED-Treibern, je einen für jede Farbe (R,G,B und W), eine genauere, effizientere Lösung und hat weniger Ausgangswelligkeit. In einem solchen System wird der LED-Strom oder das PWM-Dimmen einer jeden einzelnen LED oder LED-Kette von deren eigenem LED-Treiber und dessen Steuersignalen geliefert. In einem Matrix-Dimmer steuert ein einziger LED-Dimmer den PWM-Strom für bis zu acht LEDs. Die zusätzlichen Anforderungen für dieses System sind eine Hochspannungsleitung und ein abwärtswandelnder LED-Treiber mit einem Kondensator geringer Kapazität am Ausgang, um die LED-Ketten zu treiben. Der Hochspannungspegel kann einen zusätzlichen Aufwärtsregler erfordern und der LED-Strom (vom Ausgang mit geringer Kapazität des Abwärtswandlers) kann eine große Welligkeit zeigen.

Beleuchtungssysteme mit einer großen Anzahl an RGBW-LEDs benötigen eine erhebliche Anzahl an Treibern und Synchronisationsaufwand, um die geeigneten Signale von diesen Treibern zu liefern. Die Methode mit der höchsten Leistung ist es, jede LED-Komponente mit einem eigenen Hochleistungs-LED-Treiber zu versorgen. Bei dieser Methode kann das PWM-Dimmen, der DC-Strom und die Spannung jeder einzelnen LED mit der höchsten Vorhersagbarkeit und geringsten Ausgangswelligkeit unabhängig voneinander gesteuert werden. Ein derartiges System ist mit den über einen seriellen Bus gesteuerten, abwärtswandelnden Zweifach-LED-Treibern LT3964 einfach zu implementieren.

Abwärtswandelnder Zweifach-LED-Treiber mit I²C-Dimmsteuerung

Der abwärtswandelnde Zweifach-LED-Treiber LT3964 ist eine ideale Lösung zum Betreiben mehrfacher LEDs oder LED-Ketten mit hohem Strom und hoher Bandbreite mit I²C-Steuerung und Datenausgabe über eine serielle Kommunikationsschnittstelle. Abwärtsregler haben eine inhärent hohe Bandbreite und zwei abwärtswandelnde, synchrone, hochfrequente 36-V-/2-MHz-LED-Treiber in einem gemeinsamen Gehäuse mit integrierten 2-A-Schaltern. Sie machen das Betreiben mehrfacher Kanäle von Hochstrom-LEDs mit dem LT3964 relativ einfach.

Die serielle I²C-Kommunikation vereinfacht sowohl das analoge als auch das PWM-Dimmen für zwei voneinander unabhängige LED-Kanäle, das von jedem LT3964 geboten wird, wobei bis zu acht LT3964-Adressen an einem einzigen I²C-Bus unterstützt werden. Das Schaltungsbeispiel eines abwärtswandelnden Zweifach-LED-Treibers mit 2 MHz und 1 A (Bild 4) hat einen hohen Wirkungsgrad und sehr kleine Ausmaße. Es kann für den Betrieb von bis zu 30 V LED-Strom pro Kanal aus einem 34-bis-36-V-Eingang modifiziert werden – bei einem Wirkungsgrad von über 90 Prozent.

13-Bit-RGBW-Farbsteuerung

Zwei LT3964-LED-Treiber reichen zum Betreiben einer einzigen LED oder einer LED-Kette mit 1 A oder höher (Bild 5). Obwohl die RGBW-Farbe allgemein mit einer 8-Bit-Auflösung des 1:256-Dimmverhältnisses gesteuert wird, kann der LT3964 für jeden Kanal ein 1:8192-Dimmverhältnis mit 13 Bit Auflösung, kombiniert mit einem analogen Dimmverhältnis von 1:10, erzielen – alles gesteuert über I²C.

Diese direkte Ansteuermethode erlaubt es, die RGBW-LEDs stark in Helligkeit und Spannung zu variieren – jeder Kanal ist dabei völlig unabhängig. In diesem Beispiel wird eine einzelne RGBW-LED von Cree mit vier LT3964-Kanälen, jeder mit einem 1-A-Ausgang, betrieben. Mit nur wenigen Änderungen der digitalen Register werden sowohl Helligkeit als auch Farbsteuerung auf bis zu 1:8192 PWM-Dimmung und 1/10 Analog-Dimmung für jede rote, grüne, blaue und weiße LED erweitert. Die einzige echte Farbbegrenzung liegt nun in den LEDs selbst. Tatsächlich ist diese exakte Steuerung der Farbzusammenstellung zur Farbkorrektur allgemein wünschenswert.

Einfache Synchronisation großer LED-Arrays

Die integrierten synchronen Leistungsschalter und die Schaltfrequenz von 2 MHz resultieren in einer sehr kleinen Lösung mit einer kleinen Spule und einem Keramikausgangskondensator für jeden LED-Kanal. Die CLKOUT- und SYNC-Pins des LT3964 erlauben es, zwei ICs zu synchronisieren, was unerwünschte Schwebungsfrequenzen verhindert und ein einheitliches Timing des PWM-Dimmens über die serielle Kommunikationsschnittstelle sicherstellt. Dies eliminiert für beide ICs die Notwendigkeit, eine externe Taktquelle verwenden zu müssen, was wiederum die Lösung vereinfacht.

Bild 6 illustriert den Ausgangsstrom mit geringer Welligkeit dieser Vierkanallösung mit zwei ICs im Vergleich zur Matrix-LED-Dimmerlösung mit höherer Welligkeit. Natürlich präsentiert die direkte Treiberlösung ohne Matrix mit dem LT3964 eine reinere Form des LED-Stroms als die Matrix-Dimmerlösung, die wegen der kleinen Ausgangskondensatoren eine höhere Welligkeit aufweist.

Flexibles, intuitives Abwärtswandelsystem

Der LT3964 ist flexibel genug, um Systeme zu unterstützen, die mehr als nur vier Farbkomponenten benötigen. Der Farbumfang für RGB(W)-LEDs ist in Bild 7 dargestellt. Ist ein erweiterter Farbraum nötig, können zwei zusätzliche LED-Elemente wie bernsteingelbe, zusätzliche grüne oder sogar zyanfarbige LEDs hinzugefügt werden. Um diese zusätzlichen Farbkomponenten zu betreiben, wird einfach ein weiterer LT3964 an denselben I²C-Bus angeschlossen.

Nicht alle LED-Systeme, die RGBW-Farben mischen, nutzen monolithische RGBW-LED-Chips. In diesen Systemen werden separate Ketten von roten, grünen und blauen LEDs in größere und hellere Leuchten eingebaut. LED-Ketten mit unterschiedlichen Spannungen können von jedem abwärtswandelnden LT3964-Kanal getrieben werden, solange die LED-Kettenspannungen unter der Eingangsspannung bleiben. Ketten mit bis zu 30 V LED-Spannung bei 1 A und darüber können von einem einzigen LT3964-Kanal betrieben werden.

Serielle I²C-Kommunikation

Es gibt zwei Möglichkeiten zur Steuerung des analogen und PWM-Dimmens mit dem LED-Treiber LT3964. Eine Möglichkeit ist es, die Dimm-Pins mit externen Spannungen über den I²C-Bus direkt zu treiben. Im Betrieb ohne I²C-Bus werden die CTRL1- und CTRL2-Pins zum analogen Dimmen der LEDs mit einstellbaren DC-Spannungen betrieben und die PWM1- und PWM2-Pins mit gepulsten Signalen beaufschlagt, mit Tastverhältnissen, die der Helligkeit des PWM-Dimmens der LEDs entsprechen. Bei dieser Methode ist die LED-PWM-Frequenz mit den Eingängen des PWM-Pins synchronisiert und die LED-Helligkeit und die EinFschaltdauer des LED-Stroms stimmen mit den Eingangspulsen der PWM-Pins überein. In größeren Systemen kann das Erzeugen einer Kombination von PWM- und analogen Eingangssignalen zum Dimmen für eine große Kanalzahl sehr komplex sein.

Die zweite und potenziell effizientere Methode ist es, einen seriellen Kommunikationsbus wie den I²C zum Ansteuern jedes LED-Kanals oder jeder LED-Kette zu verwenden. Der einfache Zweidraht-I²C-Bus wird genutzt, um die Funktionen von acht unterschiedlichen Slave-Bausteinen mit einem Master-Baustein wie einem kleinen Mikrocontroller zu steuern. Bei Arbeitsfrequenzen von bis zu 400 kHz muss der I²C-Master nur drei Byte generieren, um jedes der neun Register in den LT3964-Slave-Bausteinen zu aktualisieren. Es gibt mehrere Register, zwei analoge Dimmregister, ein Zustands-Enable-Register zum Einstellen von Fehlern, ein Zustandsregister zum Auslesen von Fehlern und ein Konfigurationsregister für einige allgemeinere Funktionen. Es gibt drei Byte an I²C-Schreibbefehlen einschließlich Adressen, Unteradressen und Datenworten. Bild 8 demonstriert die unterschiedlichen I²C-Schreib- und Lese-Befehle in der seriellen Kommunikation des LT3964.

Der LT3964 erzielt über I²C eine 13-Bit-Dimmsuflösung (1:8192). Das Tastverhältnis und die Frequenz der PWM-Dimmung werden eingestellt, indem man die beiden PWM-Register für jeden Kanal verwendet (Bild 9). Bild 10 zeigt die resultierende ILED-Signalform. Sie ist mit einigen wenigen I²C-Schreibbefehlen einfach auf bis zu 16 unterschiedliche Kanäle auszuweiten (für insgesamt jeweils zwei Kanäle und acht Adressen).

Zusätzlich zur PWM-Dimmsteuerung besitzt jeder Kanal noch ein analoges 8-Bit-Dimmregister, das mit einem Schreibbefehl aktiviert werden kann. Das analoge Dimmen, wenn aufgerufen, wird typischerweise nur bis zu einem Dimmverhältnis von etwa 1:10 eingesetzt. Häufiger wird das PWM-Dimmen zur Mischung von RGBW-Farben verwendet – es ist auch ohne zusätzliches Analog-Dimmen ausreichend genau für eine wiederholbare Farberzeugung. Nichtsdestotrotz ist es in Systemen, die eine verbesserte Steuerung benötigen, nützlich, die Einstellung des DC-LED-Stroms als Hilfsmittel zu haben.

Weitere I²C-Register betreffen die Einstellung von Fehlerschutzfunktionen und das Auslesen der Fehler. Der LT3964 kann über Alert-Pins und I²C-Zustandsregister Fehler für jeden Kanal anzeigen. Die Fehler werden jedoch nur angezeigt, wenn die Status-Register einzeln aktiviert sind und ein Fehler eintritt. Unterbrochene und kurzgeschlossene LEDs, Überstrom sowie Überspannung können für beide Kanäle aktiviert, ausgegeben und gelesen werden. Sie können aber auch deaktiviert und ignoriert werden. Der Fehlerschutz ist ein wichtiger Teil eines jeden seriellen Kommunikationssystems.

Auf der nächsten Seite geht es um die 2-MHz-Demonstrationsschaltung und Quick Eval

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