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LED舞臺和建筑照明的色彩控制

2019-06-18    

中國照明網報道

12041

導語: 紅、綠、藍(RGB)LED可用于建筑和舞臺照明系統,用以形成明亮的投影色彩――有時會在RGB組合中添加白色LED,從色調、飽和度和亮度方面擴展色彩范圍。

  紅、綠、藍(RGB)LED可用于建筑和舞臺照明系統,用以形成明亮的投影色彩――有時會在RGB組合中添加白色LED,從色調、飽和度和亮度方面擴展色彩范圍(圖1)。無論色彩分量有多少,都必須精確控制每個色彩分量的亮度,以便對色彩進行預測或是補償LED之間的色差。可用色彩的數量取決于每個組成色的可分辨亮度級的數量。一些系統提供分辨率低至全亮度1/256(8位)。也可能實現更高的分辨率,并產生更多的色彩(圖2),形成更強的控制力。

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  圖1.Cree XM-L RGBW高功率LED可由兩個LT3964 LED驅動器驅動,每通道調光精度可達1:8192。

  控制寬LED亮度范圍最精確的方法是使用PWM調光控制。內置PWM調光時鐘和數字寄存器(用于設置調光比)的LED驅動器是RGBW系統的最佳選擇。對于大型復雜系統――由許多不同RGBW LED構成的系統――使用串行通信總線可在數字增強型LED驅動器中實現這些寄存器的動態設置。

  圖3所示為RGBW LED的兩種驅動和調光方法。第一種是矩陣LED調光器方案,它曾經是高功率RGBW LED陣列的最佳數控方式。第二種是直接驅動方案,它采用四個分立的數字增強型LED驅動器,每種色彩(R、G、B和W)各一個,更精確、更高效、紋波更低。在這種系統中,每個單獨的LED或LED串的電流或PWM調光波形均由其自己的LED驅動器和控制信號驅動,如圖2所示。在矩陣調光器方案中,單個LED調光器可控制多達8個LED的PWM電流。該系統額外需要一條高壓線和一個低輸出電容降壓LED驅動器,用于驅動LED串。高壓軌可能需要一個額外的升壓調節器,LED電流(來自低輸出電容降壓驅動器)可能有高紋波。

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  圖2.I2C控制的LT3964 RGBW LED驅動器可為舞臺或建筑照明裝置中使用的高功率LED提供前所未有的色彩控制能力。驅動器解決方案通常提供8位色彩分辨率。基于LT3964的解決方案可實現13位色彩分辨率――使用本文中介紹的比較簡單的降壓驅動設置可以輕松實現。

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  圖3.大型RGBW LED陣列的兩種供電和色彩控制(分量調光)方法:(a)使用LT3965的矩陣調光器與(b)LT3964直驅解決方案。LT3964非矩陣解決方案具有更出色的色彩控制能力,卓越的效率和更低的紋波。

  采用大量RGBW LED的照明系統需要大量的驅動器,并且控制信號要與這些驅動器同步。性能最好的方法是用高性能LED驅動器直接控制每個LED。在這種方法下,既能控制每個LED的PWM調光及直流電流和電壓,還能將紋波降至最低水平,并大幅提高可預測能力。使用通過串行總線控制的雙降壓LED驅動器LT3964,可以輕松實現這類系統。

  具有I2C調光控制能力的雙降壓LED驅動器

  具有I2C控制和報告功能的LT3964雙降壓LED驅動器是一款理想的解決方案,可以通過串行通信技術驅動具有高電流和高帶寬的多個LED或LED串。降壓調節器具有固有的高帶寬,LT3964在單個封裝中有集成了兩個36 V、2 MHz同步和高頻降壓LED驅動器,還集成了2 A開關,可以相對輕松地驅動多通道大電流LED。

  I2C串行通信功能簡化了每個LT3964支持的兩個獨立高電流LED通道的模擬和PWM調光功能,在單個I2C總線上有多達八個不同的LT3964地址。例如,圖4中的2 MHz雙通道1A降壓LED驅動器示例電路具有高效率和超小尺寸等特點,可將其更改為通過34 V至36 V輸入為每個通道提供高達30 V的LED電源(如數據手冊中所示),效率高于90%。

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  圖4.2 MHz雙通道1A(或以上)降壓LED驅動器演示電路DC2424A具有高效率和緊湊布局的特點。如數據表所示,可將其更改為通過34 V至36 V輸入為每個通道提供高達30 V的LED電源――效率高于90%。

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  13位RGBW色彩控制

  兩個LT3964驅動器足以用1 A(或以上)驅動單個或一串RGBW LED,如圖5所示。雖然RGBW色彩通常以1:256、8位分辨率控制,但LT3964可以為每個通道提供高達1:8192、13位的PWM調光功能以及1:10的模擬調光功能——全部由I2C控制。

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  圖5.可以用兩個LT3964驅動器以1A以上的電流驅動單個或一串RGBW LED。每個RGBW分量色彩均受調光分辨率(通常為1/256或8位分辨率)的限制。基于LT3964的解決方案可提供更高的分辨率,可為每個通道實現高達1/8192或13位PWM調光功能以及1/10的模擬調光功能——全部由I2C控制。

  這種直驅方法允許分量RGBW LED在亮度和電壓方面存在較大差異——每個通道完全獨立。在此示例中,單個Cree RGBW LED由四個LT3964通道驅動,每個通道輸出1A電流。通過簡單更改數字寄存器,亮度和色彩控制可擴展至1:8192 PWM調光,并且1/10模擬調光可支持每個紅、綠、藍、白LED。對色彩的唯一真正限制是LED本身。實際上,如果需要,如此強大的混色控制能力允許對LED進行色彩校正。

  輕松同步大陣列和低紋波工作模式

  集成的同步功率開關和2 MHz開關頻率可實現超小尺寸的解決方案,每個LED通道都有一個小電感和一個瓷片輸出電容。LT3964的CLKOUT和SYNC引腳允許兩個IC同步,防止不必要的拍頻,并通過串行通信保持PWM調光的統一時序。這樣就不需要從外部時鐘源為兩個IC提供時鐘,從而簡化了解決方案。

  圖6展示了該4通道雙IC解決方案的低紋波輸出電流,與上面提到的更高紋波矩陣LED調光器解決方案形成對比。顯然,非矩陣直驅LT3964解決方案的LED電流波形比矩陣調光器解決方案更清晰;矩陣調光器解決方案由于輸出電容較小,所以其紋波含量較高。

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  圖6.與更高紋波矩陣LED調光器解決方案相比,4通道雙降壓LED驅動器解決方案的紋波電流較低。LT3964的LED電流波形比調光器解決方案清晰。

  靈活、直觀的降壓方案

  LT3964非常靈活,可支持需要四個以上色彩分量的系統。RGB(W)LED的色域如圖7所示。當需要更寬的色彩范圍時,可以添加兩個額外的LED元件,例如琥珀色、額外綠色甚至青色LED。要驅動其他分量色彩,只需將另一個LT3964連接到同一I2C總線即可。

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  圖7.可見色域包括RGB色域中不存在的色彩。當需要擴展范圍時,只需添加一個連接在同一I2C總線上的LT3964,即可添加兩個額外的LED元件,例如琥珀色、額外綠色甚至青色LED。

  并非所有RGBW混色LED系統都使用單片RGBW LED芯片。在部分系統中,將獨立的紅、綠、藍LED串集成到更大、更亮的燈具當中。只要LED串電壓低于輸入電壓,每個LT3964降壓通道就可以驅動具有不同電壓的LED串。單個LT3964通道可以1A或以上的電流驅動高達30 V的LED串。

  I2C串行通信

  使用LT3964 LED驅動器時,有兩種模擬和PWM調光控制方案可選。一種方案是在不使用串行總線的情況下直接用外部電壓驅動調光引腳。在非I2C模式下,對于LED模擬調光,CTRL1和CTRL2引腳由可調直流電壓驅動;PWM1和PWM2引腳由脈沖信號驅動,占空比與LED的PWM調光亮度相對應。在此方法中,LED PWM頻率與PWM引腳輸入同步,LED亮度和LED電流占空比與PWM引腳輸入脈沖相匹配。在較大的系統中,為大量通道生成PWM和模擬調光輸入信號組合可能非常復雜。

  第二種可能更有效的方法是使用串行通信總線(例如I2C)來控制每個LED通道或串。簡單的2-線I2C總線用于通過單個主控器件(如小型微控制器)控制8個不同從屬器件的功能。I2C總線主機運行速率高達400 kHz,只需生成三個字節即可對LT3964從屬器件上9個寄存器中的每個寄存器進行更新。有四個PWM寄存器、兩個模擬調光寄存器、一個用于設置故障的狀態使能寄存器、一個用于讀取故障的狀態寄存器以及一個用于一些全局功能的配置寄存器。I2C寫命令的三個字節包括地址、子地址和數據字。圖8所示為LT3964串行通信中使用的不同I2C寫字和讀字。

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  圖8.LT3964 I2C串行通信使用標準I2C寫字和讀字。

  LT3964具有基于I2C的13位(1:8192)PWM調光功能。通過寫入每個通道的兩個PWM調光寄存器來設置PWM調光占空比和頻率,如圖9所示。圖10所示為結果形成的ILED波形。通過一系列快速I2C寫操作,可以輕松更新多達16個不同的通道(每個通道兩個地址,總共八個)

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  圖9.LT3964具有13位(1:8192)PWM調光功能和I2C。通過寫入各通道的兩個PWM調光寄存器設置PWM調光占空比和頻率。此處,通道2設為1:8192調光,而通道1則設為128:256模擬調光

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  圖10.ILED波形,所示為1:8192調光。

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  圖11.LT3964 DC2424A演示電路可通過QuikEval借助免費的圖形用戶界面進行控制。在每個頁面上,可以設置寄存器元件,然后通過USB和Linduino DC2026C演示電路按下按鈕即可發送I2C寫命令或讀命令。可以為任何地址設置IC地址位,該圖形用戶界面可以同時與多個LT3964 IC通信。

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  圖12.I2C寄存器包括故障保護設置和讀取。LT3964可以通過其ALERT引腳和I2C狀態寄存器報告每個通道的故障。僅在狀態寄存器單獨使能且發生故障時才會報告故障。可以使能、報告和讀取兩個通道的開路LED、短路LED、過流和過壓反饋故障。也可以禁用和忽略這些故障。

  除PWM調光控制外,每個通道還有一個8位模擬調光寄存器,可通過單個寫命令進行更新。調用模擬調光時,通常僅使用低至約1/10的調光。更常見的情況是,PWM調光專門用于RGBW混色——足以實現精確和可重復的色彩創建,無需添加模擬調光。然而,在需要擴展控制的系統中,可以使用盒子里的直流LED電流調節工具。

  其他I2C寄存器包括故障保護設置和讀取功能。LT3964可以通過其ALERT引腳和I2C狀態寄存器報告每個通道的故障。僅在狀態寄存器單獨使能且發生故障時才會報告故障。可以使能、報告和讀取兩個通道的開路LED、短路LED、過流和過壓反饋故障(圖9)。也可以禁用和忽略這些故障。故障保護有可能是任何串行通信系統的關鍵部分。

  2 MHz演示電路和QuikEval

  通過I2C可以輕松生成原型并評估LT3964 LED系統。ADI公司已經創建了一個演示電路,其中包括用于測試串行通信的圖形用戶界面。當通過USB用Linduino?One演示電路(DC2026C)連接到PC時,該系統使用QuikEval?程序。演示電路手冊中包括快速入門指南,其中描述了連接和評估LT3964演示電路DC2424A的方法。簡而言之,當通過DC2026C (Linduino)連接到USB時,可以對LT3964演示電路串行通信進行評估,一次一個命令。

  圖9、11和12顯示了LT3964演示電路易于使用的圖形用戶界面頁面。在每頁上,可以設置寄存器元件,然后通過I2C串行總線進行更新。可以更新每個通道的模擬和PWM調光寄存器,以及狀態使能位、全局配置寄存器和狀態使能位。對于通過總線發送的每個I2C命令,該界面顯示了生成的地址、子地址和數據位。也可以通過圖形用戶界面的讀取命令對寄存器進行讀回操作。如果在測試期間發生故障,圖形用戶界面會在左上方顯示警報信號(圖13),并且可以采取步驟檢查故障的性質并通過STATUS和STATUS ENABLE寄存器清除故障。

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  圖13.使用圖形用戶界面和Linduino,通過I2C帶狀控制排線,可以連接兩個現成的DC2424A演示電路,用于驅動RGBW LED或LED串。

  在單個RGBW系統中,I2C總線上需要兩個獨立的IC地址(用于四個LED分量)。默認情況下,圖形用戶界面會將所有命令發送到默認地址“1100”,但可以更改該地址。該地址顯示在每個頁面的右上角,可以通過單擊數字進行更改。由此,可以通過圖形用戶界面來控制和讀取多達八個地址的調光和狀態寄存器。此外,圖形用戶界面的數字字頁面允許用戶手動輸入任意三個地址、子地址和數據字,并將它們作為I2C命令發送出去。用戶可以查閱數據表或圖形用戶界面的其他頁面,生成讀和寫命令,這些命令顯示在屏幕底部的串行數據日志中。

  從圖13可以看出,使用圖形用戶界面和Linduino,可以通過I2C控制排線輕松地將兩個現成的DC2424A演示電路連接起來。SDA和SCL 2-線I2C線路在總線上共享,警報信號與Linduino排線連接在一起。每個LT3964的ALERT引腳都是一個開路集電極下拉,因此當任何IC上發生故障時,主機都可以檢測到。發生這種情況時,圖形用戶界面會在左上角顯示一個紅色ALERT標志圓圈。一旦主控微控制器檢測到系統故障,就會根據警報響應協議檢測和/或清除故障。

  故障檢測與協議

  LT3964具有廣泛的故障保護功能。它可以順暢地處理LED串的開路和短路故障。它還可以處理輸出的過流故障,這些故障不一定是短路。發生這些故障時,LT3964的ALERT故障標志會置位。在同一總線上共享時,若系統中任何LT3964出現故障,ALERT總線會被拉低(置位)。I2C通信首先可用于定位故障IC,然后診斷故障本身。可以在狀態使能寄存器中設置可置位ALERT標志的故障類型。此處可以使能或禁用短路LED或LED過流等故障。

  在ALERT置位之后,用廣播讀取命令輪詢從屬IC,找出置位警報的IC。在出現多個警報的情況下,較低地址的IC首先發送其地址。下一步是讀取故障地址的STATUS寄存器。結果應該能提供足夠的信息來診斷故障并清除故障標志。如果故障標志保持置位,則另一個廣播讀取命令可以檢查后續故障地址。當完成對故障地址和狀態寄存器的讀取時,可以通過向故障地址發送寫命令來清除故障狀態位。如果故障未清除,則可以通過報告提出服務需求,或者關閉使能故障的狀態位,忽略故障。

LED舞臺和建筑照明的色彩控制

  圖14.使用LT3964雙降壓驅動器和I2C串行通信的完整高功率RGBW LED數控示意圖。兩個LT3964足以用1A電流驅動單個RGBW LED或RGBW LED串,實現精準調光,產生可預測且可重復的色彩分量。

  結論

  具有I2C串行通信功能的LT3964雙降壓LED驅動器可用于存在大量高功率LED和LED通道的計算機控制照明系統。兩個LT3964足以用1A電流驅動單個RGBW LED或RGBW LED串,實現精準調光,產生可預測且可重復的色彩分量。

  使用現成的DC2424A演示電路和免費的QuikEval PC軟件,可以輕松進行評估。LT3964的共享I2C 2-線串行通信總線可用于控制多達8個地址和16個開關通道。其寬輸入電壓范圍和緊湊但功能強大的集成式同步降壓開關在每個通道上可支持高達30 V的LED。高達2 MHz的開關頻率能夠實現緊湊型設計和小型電感,這對于在具有眾多LED和通道的大型系統中復制驅動器電路非常重要。

編輯:嚴志祥

來源:與非網

標簽:舞臺照明  建筑照明  色彩控制  

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