Ladda ner artikeln på 500 kbyte här (länk, pdf). Fler tekniska rapporter finns på etn.se/expert

Ett sätt att driva och dimma RGBW-lysdioder är att utnyttja fyra separata drivkretsar, en per färg. I ett sådant system styrs LED-strömmen, eller PWM-dimningen, för varje individuell lysdiod eller lysdiod-kedja av en separat drivkrets. Lösningen innebär dock att antalet drivkretsar och behovet av synkronisering ökar snabbt med antalet lysdioder.

En mycket enklare (och elegantare) metod för att reglera ljusstyrkan är att driva samtliga lysdioder med en och samma drivkrets/omvandlare vid fast ström, och att använda en shunt effekt-MOSFET-matris för att PWM-dimma enskilda lysdioder. En enda kommunikationsbuss kan då användas för styra dimningsmatrisen, vilket gör det relativt lätt att åstadkomma färgblandande RGBW-lysdiodsystem.

Lysdiod-matrisdimmerkretsen LT3965 möjliggör en sådan konstruktion, vilket visas i figur 1. Varje LT3965-matrisdimmer med åtta switchar kan paras ihop med två RGBW-Lysdioder, vilket möjliggör re-glering av individuell ljusstyrka hos lysdioderna (röd, grön, blå och vit) i PWM-steg om 1/256 för ljusstyrka från noll till 100 procent. Tvåtrådiga, seriella I2C-kommandon ger både färg- och ljusreglering. Seriell I2C-data till LT3965 bestämmer ljusstyrkans tillstånd för samtliga åtta lysdioder och kan i händelse av fel kontrollera om någon lysdiod är öppen eller kortsluten.

Matrisdimmern behöver en lämplig lysdiod-drivkrets för att kunna kraftmata en rad med åtta lysdioder med olika inspänningar: 12 V ±10%, 9–16 V (fordon) och 6–8,4 V (litiumjon). En sådan lösning erbjuds av LT3952, en boost-buckbaserad drivkrets, som stegar inspänningen upp och ned samtidigt som den ger in- och utgående ström med lågt rippel. Med liten eller ingen utkondensator i en flytande (floating) utgångstopologi kan den reagera snabbt på förändrad diodspänning eftersom de enskilda lysdioderna är PWM-dimmade på och av (figur 2).

LT3952 som visas i figur 1, paras ihop med lysdiodmatrisdimmern LT3965 med åtta switchar och två 500 mA RGBW-lysdioder. Denna nya topologi fungerar utmärkt över hela området med noll till åtta seriekopplade lysdioder, med spänningar upp till 25 V. Den momentana spänningen förändras beroende på vilka och hur många lysdioder som aktiveras av matrisdimmern vid en given tidpunkt. Omvandlarens utspänning på 60 V (summan av VIN och Vlysdiod) och omvandlarens pulslängd är klassade för hela inspänningsområdet 6 –20 V och utspänningsområdet (LED-seriespänning) 0–25 V vid 500 mA.

Denna boost-buckbaserade flytande utgångstopologi fungerar bra med matris­dimmern LT3965 som styr ljusstyrkan genom att shunta lysdioderna med parallella kraft-MOSFET:ar. Lysdioderna behöver inte vara jordade. Så länge som VIN-benet hos LT3965 är kopplat till en skyhook, som ligger åtminstone 7,1 V över LED+, kommer alla shunt-MOSFET:ar att fungera som de ska. En skyhook kan skapas med en laddningspump från switchomvandlaren eller med hjälp av en reglerad källa. Den kompakta boost-omvandlaren LT8330 i en 3 mm × 2 mm DFN passar bra för att generera en skyhook.

Alternativt kan en extern klockkrets användas för att synkronisera systemet till 350 kHz vilket passar för fordonsmiljöer och möjliggör användning av kompakta komponenter. Även om systemet lika gärna skulle kunna köras på 2 MHz (över AM-bandet) gör 350 kHz (under AM-bandet) att boost-buckomvandlaren kan reglera utan puls­överhoppning när alla lysdioder är kortslutna av matrisdimmern och lysdiodkedjans spänning sjunker till 330 mΩ × 500 mA × 8 = 1,3 V. Frekvensen stöder också höga dimningsförhållanden utan synligt flimmer.

Eftersom varje RGBW-lysdiod konstruerats som en enpunktskälla, kombineras det röda, gröna, blåa och vita ljuset till att ge färgvariation, med reglerad mättnad, nyans och ljusstyrka. Varje lysdiod kan ställas in i 256 steg från noll till 100 procent.

RGBW-lysdioder kan ge noggrann färg och ljusstyrka med PWM-dimning av individuella röda, gröna, blåa och vita lysdiod-komponenter. Individuell PWM-baserad ljusreglering stöder dimningsförhållanden på 256:1 eller mer. Ett alternativ till PWM-dimning är att helt enkelt minska driftströmmen till varje lysdiod, men med den metoden blir noggrannheten lidande, med dimningsförhållanden på endast 10:1 och färgdrift i lysdioderna. Matrisdimning med hjälp av PWM-dimning ger bättre prestanda beträffande noggrannhet för färg och ljusstyrka, än metoder baserade på driftström.

Drivkretsens bandbredds- och transientsvar påverkar färgnoggrannheten. Med en crossover-frekvens på över 10 kHz och liten eller ingen utkondensator, reagerar boost-buckomvandlaren snabbt på förändringar av antalet drivna lysdioder när matrisdimmern slår på och av sina switchar.

För att illustrera hur viktigt detta är för noggrannheten kan röda, gröna och blå lysdioder köras separat med olika PWM-pulslängder varefter det utgående ljuset mäts med en optisk RGB-sensor. Resultaten, i figur 3, visar likformig lutning för samtliga färger från 4/256 till 256/256, med viss lutningsförändring därunder. Röda, gröna och blå lysdioder ger inte perfekta färger, så viss färg från andra band kan smyga sig in även när endast en av dem är på. Totalt sett är detta ett mycket noggrant system.

Noggrannheten kan förbättras ned till 1/256 med hjälp av en buck-omvandlarversion av lysdiod-drivkretsen LT3952 med mycket stor bandbredd (>40 kHz), men det sker på bekostnad av antingen tillägg av ­ytterligare en stepupomvandlare för att skapa en reglerad utspänning på mer än 30 V, eller en inspänningskälla på över 30 V. Om inte mycket hög noggrannhet behövs vid lågt ljus finns det ingen anledning att lägga till en extra omvandlare och avstå från boost-buckmetodens mångsidighet, enkelhet och kompakthet.

LT3965-kretsens 256 dimningsnivåer kan lätt översättas till typiska RGB-ritprogram och vanliga algoritmer för färgblandning. I vanliga PC-ritprogram blandas exempelvis färgerna i ett RGB-system be-stående av 256 värden. I figur 2 ger lysdiod-strömmens vågformer mörklila ljus från ett lysdiodsystem baserat på en RGBW-matris styrd av ett enkelt PC-baserat ritprogram. Eftersom den konstruktion som beskrivs i denna artikel ger noggrann strömdrift och PWM-styrning, kan RGBW-Lysdioder färgkalibreras på ett förutsägbart sätt genom att lysdiodkomponenternas pulslängder justeras, vilket på ett enkelt sätt tar hänsyn till varierande lysdiodljusstyrka.