LED-Array-Treiber mit 16 Stromquellen

Durch eine Reihe neuer eingebauter Features ermöglicht LED-Array-Treiber LED1642GW von ST Microelectronics ein hohes Maß an Designflexibilität, da der Anwender zwischen verschiedenen Konfigurationen wählen kann. Die Treiber  bieten lokale Dimmung, globale Stromeinstellung, eine programmierbare Ein- und Abschaltzeit, eine sequenzielle Verzögerung von Kanal zu Kanal, fortschrittliche Funktionen zur Detektierung und Meldung von LED-Fehlern, eine patentierte automatische Stromsparfunktion, die Resynchronisation von seriellen Daten und Takt sowie vieles mehr.

Der Markt verlangt in den in Bild 1 dargestellten Anwendungen nach weniger Störaufkommen. Um diesem Wunsch zu entsprechen, bietet der Treiber dem Anwender über eine serielle Schnittstelle die Möglichkeit, die Schaltgeschwindigkeit der Ausgangskanäle in vier Stufen zu variieren. Außerdem lässt sich die Einschaltzeit auf Werte zwischen 30 und 270 ns einstellen. Im Verbund mit der programmierbaren Ausgabeverzögerung von Kanal zu Kanal erlaubt dies dem Anwender die einfache Feinabstimmung der Applikation, was die elektromagnetischen Interferenzen spürbar reduziert und die Spannungsstabilität des Systems maximiert. Mit dem „Auto Power Saving“ steht überdies ein innovatives Stromspar-Feature zur Verfügung. Es garantiert die automatische Abschaltung, wenn die Ausgangskanäle aus „OFF“ programmiert werden, sowie eine schnelle automatische Reaktivierung, sobald der erste Kanal einen „ON“-Befehl erhält.

LEDs haben sich in den verschiedensten Marktsegmenten durchgesetzt, unter anderem in mobilen Anwendungen, Signage-Applikationen und Hintergrundbeleuchtungen für LCD-Fernsehgeräte sowie für Beleuchtungszwecke und im Automobilbereich. Aufgrund sinkender Preise und gestiegener Lichtausbeute (Lumen pro Watt) werden viele Anwendungen auf LEDs umgestellt. Hierfür sind unterschiedliche LED-Treiber erforderlich.

Auf dem ausgereiften Markt für LED-Treiber sind die Anbieter weiter gefordert, Leistungsfähigkeit, Zuverlässigkeit und Preise ihrer Produkte stetig zu verbessern. Um für ehrgeizigere Projekte in einem anspruchsvollen Markt gerüstet zu sein, hängen echte Alleinstellungsmerkmale der Produkte davon ab, mit innovativen Features zu marktgerechten Preisen einen echten Mehrwert zu bieten.

Sehr genaue Stromanpassung

Bild 2: Interne Verstärkungseinstellung. Je nach der internen Verstärkungs- und Bereichseinstellung kann der Baustein den Strom auf Werte zwischen 3 und 36 mA regeln. ST Microelectronics

Durch die sehr gute, auf ±3  % genaue Stromanpassung der Ausgangskanäle eignet sich der LED1642GW als standardmäßiger LED-Treiber, was für hohe Qualität bürgt. Jedes Bauteil wird außerdem beim geringsten Strom getestet. Mit seinen Automotive-Qualifikationen bringt der ALED1642GW im Standardgehäuse bereits ein hohes Maß an Zuverlässigkeit und Robustheit mit.

Bild 3: SDO-Synchronisation. Der Baustein kann die Daten auch mit der fallenden Flanke des CLK-Signals heraustakten, was eine Verzögerung von einigen Nanosekunden ergibt (Signal 2).
ST Microelectronics

Der LED1642GW ist ein monolithisch integriertes 16-Bit-Leistungs-Schieberegister für niedrige Spannungen und Ströme, ausgelegt für das Ansteuern von LED-Panels und -Displays. Mit seiner garantierten Ausgangs-Treiberspannung von 20 V ermöglicht er den Anschluss mehrerer in Reihe geschalteter LEDs. 16 geregelte Stromquellen enthält die Ausgangsstufe, die die LEDs mit einem konstanten Strom zwischen 3 und 36 mA versorgen. Mithilfe eines externen Widerstands wird die Höhe des Stroms programmiert und sie lässt sich mit einem 7-Bit-Stromverstärkungsregister in zwei Teilbereichen variieren. Mit einer 12/16-Bit Grauskalen-Einstellung ist außerdem die Helligkeit für jeden Kanal einzeln einstellbar. Die programmierbare Ein- und Abschaltzeit (hier sind vier verschiedene Werte verfügbar) verbessert die Störaussendungseigenschaften des Bausteins.

Hohe Taktfrequenz der seriellen Schnittstellen

Stromkreisunterbrechungen und Kurzschlüsse detektiert der Treiber ebenfalls. Stromsparbetrieb ohne Einwirkung von außen ermöglicht die (wahlweise aktivierbare) Auto-Power-Shut-Down- und Auto-Power-On-Funktion . Das Wärmemanagement signalisiert Überhitzungen und schaltet die Ausgänge bei Übertemperatur (170 °C) ab.

Bild 4: Graduelle Ausgangsverzögerung vermeidet hohe Inrush-Ströme. ST Microelectronics

Dank der hohen Taktfrequenz der seriellen Schnittstelle (bis zu 30 MHz) eignet sich der Baustein für hohe Datenraten. Eine wahlweise aktivierbare graduelle Ausgangsverzögerung verringert den Inrush-Strom, während die ebenfalls selektierbare SDO-Synchronisationsfunktion hilfreich ist, wenn der Baustein in einer Daisy-Chain-Konfiguration zum Einsatz kommt. Der Betriebsspannungsbereich beträgt 3 bis 5,5 V.

Viele Features des A/LED1642GW lassen sich mithilfe des eingebauten Konfigurationsregisters aktivieren. Die verschiedenen Funktionen sind nachfolgend kurz beschrieben.

Bild 5: PWM-Erzeugung. ST Microelectronics

Verstärkungseinstellung und Strombereiche: Der Ausgangsstrom des Bausteins lässt sich mit einem zwischen dem R-EXT-Pin und Masse angeschlossenen externen Widerstand festlegen. Über ein spezielles Bit im Konfigurationsregister ist der Strom zusätzlich modifizierbar. Je nach der internen Verstärkungs- und Bereichseinstellung kann der Baustein den Strom auf Werte zwischen 3 und 36 mA regeln. Dank der Möglichkeit, den Ausgangsstrom ohne Austausch des externen Widerstands zu variieren, sind keine Modifikationen an der Hardware erforderlich (Bild 2). Nützlich ist diese Funktion auch für eine globale analoge Dimmungsfunktion: Helligkeit und Farbtemperatur der LEDs können durch Programmieren des Treiber-Ausgangsstroms verändert werden.

Fehlererkennung: Um ausgefallene LEDs oder Displaydefekte zu detektieren, ist es möglich, die normale Aktivität des Displays zu unterbrechen, um sämtliche Treiberkanäle einzuschalten. Auf diese Weise lassen sich LEDs mit Stromkreisunterbrechungen oder Kurzschlüssen lokalisieren, was die Wartung vereinfacht.

Automatische Abschaltung und Reaktivierung: Diese Funktion, die sich mithilfe des Konfigurationsregisters aktivieren und deaktivieren lässt, reduziert die Leistungsaufnahme, wenn alle Ausgänge abgeschaltet sind. Sobald die Daten für alle Kanäle „0“ lauten (Ausgang abgeschaltet), tritt die Funktion Auto Power Shutdown (AutoOFF) in Aktion. Hat mindestens ein Bit den Wert „1“ und ist damit mindestens ein Ausgang eingeschaltet, erfolgt die Reaktivierung. Mit diesem Feature lässt sich die Stromaufnahme des Displays drastisch senken, und speziell bei großen Panels sorgt es für einen deutlich umweltfreundlicheren Betrieb.

Bild 6: Ansicht des STEVAL-ILL061V1. ST Microelectronics

Programmierbare Ein- und Ausschaltzeit: Zur weiteren Steigerung der Flexibilität lässt sich die Ein- und Ausschaltzeit der Stromquellen (das heißt der Verlauf des Ausgangsstroms) programmieren. Entsprechend den Anforderungen der Applikation können im Konfigurationsregister vier Werte ausgewählt werden, nämlich 30/20 ns, 100/40 ns, 140/80 ns und 180/150 ns. Bei den angegebenen Werten handelt es sich um t_ON (Stromanstiegszeit) und t_OFF (Stromabfallzeit). Dieses Feature verbessert das Störaussendungsverhalten, wenn die LEDs im PWM-Modus angesteuert werden.

SDO-Verzögerung: Normalerweise werden die Daten am SDO-Anschluss mit der steigenden Flanke des CLK-Signals herausgetaktet, und zwar mit einer Verzögerung von etwa 15 ns (Signal 1 in Bild 3). Der Baustein kann die Daten jedoch auch mit der fallenden Flanke des CLK-Signals heraustakten, was eine Verzögerung von einigen Nanosekunden ergibt (Signal 2 in Bild 3). Dieses Feature, das im Konfigurationsregister aktiviert werden kann, ist besonders dann sinnvoll, wenn mehrere Bausteine in einer Daisy-Chain-Konfiguration zusammengeschaltet sind und keine Anpassung der Signallaufzeiten zwischen CLK und Daten (durch das Leiterplatten-Routing) erfolgt. Gestaltet sich die Synchronisation zwischen Takt und Daten wegen der physischen Verhältnisse schwierig, kann die SDO-Verzögerung schnell Abhilfe schaffen, wie Bild 3 zeigt.

Graduelle Ausgangsverzögerung: Die graduelle Ausgangsverzögerung erfolgt durch allmähliches Einschalten der Stromgeneratoren. Hierdurch vermeidet man das gleichzeitige Einschalten aller Kanäle. Wenn also die PWM-Funktion die Kanäle des Bausteins aktiviert, lassen sich die Ausgänge gleichzeitig oder mit einer abgestuften Verzögerung einschalten. Über das Konfigurationsregister kann der Anwender eine Verzögerung zwischen den Kanälen vorgeben. Diese beträgt 10 ns von einem Kanal zum nächsten, sodass rund 150 ns zwischen dem ersten und dem letzten Kanal liegen. In Bild 4 ist das typische Ausgangs-Timing dargestellt. Mit diesem Feature vermeidet man hohe Inrush-Ströme. Die Bypass-Kondensatoren können von geringerer Kapazität sein, und auch die elektromagnetischen Störaussendungen reduzieren sich.

Setzen des PWM-Zählers und Helligkeitsregister: Mithilfe einer 12/16-Bit Grauskalen-Helligkeitseinstellung lässt sich die Helligkeit eines jeden Kanals einzeln einstellen. Über den SDI-Pin werden die Helligkeitsdaten in ein 16-Bit-Schieberegister (1 Bit pro Kanal) geladen. Das PWM-Signal für den Ausgang wird erzeugt, indem der Inhalt des Helligkeitsregisters mit einem 16-Bit- oder 12-Bit-Zähler (im Konfigurationsregister wählbar) verglichen wird. Über den PWCLK-Pin stellen die Bausteine den Takt für den Zähler zur Verfügung (Bild 5).

Bild 7: PC-gestützte GUI für den LED1642GW (Advanced-Modus). ST Microelectronics

Mit einer unabhängigen PWM-Ansteuerung (lokale Dimmung) ist die LED-Helligkeit für jeden Treiberausgang variierbar (dies entspricht einem Variieren des durchschnittlichen Stroms). Dabei bleibt allerdings die Farbtemperatur erhalten, da die Höhe des Stroms im eingeschalteten Zustand den Betriebspunkt bestimmt.

Temperatur-Flag: Der Baustein verfügt über eine Temperaturüberwachung, die ein Status-Flag setzt, wenn die Innentemperatur auf mehr als 150 °C ansteigt. Nimmt die Temperatur weiter zu und überschreitet die Marke von 170 °C, wird zum Schutz des Bausteins ein Thermal Shutdown ausgelöst, wobei die analogseitige Stromversorgung abgeschaltet wird. Die digitalen Funktionen bleiben dagegen eingeschaltet, um die Daisy-Chain-Konfiguration und die Datenkommunikation funktionsfähig zu halten. Der Status der Temperaturüberwachung lässt sich über den SDO-Pin auslesen.

Bild 8: PC-gestützte GUI für den LED1642GW (Pattern-Programmierung). ST Microelectronics

Das Evaluation-Board zum LED1642GW: Das STEVAL-ILL061V1 (Bild 6) dient als Demo-Board für den LED1642GW. Es ist mit einem Array aus High-Brightness-RGB-LEDs bestückt und verfügt über lokale Dimmungs- und Diagnosefunktionen auf der Basis eines STM32-Mikrocontrollers und der SPI-Schnittstelle. Ein ST-Gleichspannungswandler vom Typ L7981 versorgt die Funktionsabschnitte des Boards mit Strom. Die Demo implementiert drei LED-Treiber (einen für jede LED-Farbe) und ermöglicht mehrere Funktionen und Grafikeffekte wie zum Beispiel globale Helligkeitsänderung, zufällige Farbvariation, Farbwelle, programmierbare Animation und Fehlererkennung. Über die GUI (Bilder 7 und 8) lassen sich alle Funktionen steuern und Patterns programmieren.

(ah)