Решения STMicroelectronics для информационных табло на светодиодах Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

Решения STMicroelectronics

для информационных табло на светодиодах

Анатолий ЮДИН

[email protected]

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 5x16. 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 (4x8) 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 8Т7ЦТЕ09, 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 ЬЕ33 или Ь78Ь33.

Структурная схема

Принцип построения плат с массивом светодиодов демонстрирует рис. 1. Данная блок-схема обеспечивает универсальное систем-

ное 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.

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),

Рис. 1. Структурная схема

з

20ms 2,00 V Такт -4 -I- 4 3 2

2 - - - - -

20ms 1,00 V Защелка

-I -I

4

20|js 2,00 V Данные

Рис. 2. Временная диаграмма

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).

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 р-п-перехода согласно описанию [1]. Максимально разрешенное потребление мощности этого устройства вычисляется следующим образом:

Т - Т

р ¿¡тах ¿а (,)

г а тах ---—----- > ч1/

где Рл тх — максимальное рассеивание мощности (Вт), Та — температура окружающей среды [°С], Т тах — максимальная температура перехода (°С), — тепловое сопро-

тивление 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 (Ус) 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:

#outputs

Pt0,= ic^uc + i'L(vc- mVF), (2) >=i

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), п{ — 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:

Ptot = IcxUc + #outputsxIx(Vc- VF). (3)

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 nxVF.

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

Ptot = Ic xUc + #outputsxIx( Vc- VF)xD, (4)

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:

Ptot = Ic xUc + #outputsxIx

x(Vc - (VF +IxR)). (5)

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.

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

Рис. 6. Плата с массивом из 80 светодиодов

Таблица 1. Спецификация ST7LITE09

№ п/п Количество Указатель Параметр

1 8 C1,C2,C3,C4,C5,C7,C8,C9 100 nF

2 1 C6 10 ^F

3 1 C10 2,2 uF

4 80 D1-D80 LED

5 5 J1,J2,J3,J4,J5 STP16CL596

6 1 J6 Разъем ICP

7 1 J7 Разъем Vc

8 5 R1,R2,R3,R4,R5 1k3

9 3 R6,R7,R8 10K

10 1 SW1 Кнопка

11 1 U1 ST7lite09

12 1 U2 LE33/SO

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.

Принципиальная схема этой разработки представлена на рис. 7.

Пять драйверов с 16 выходами в каждом управляются микроконтроллером 8Т7Ь1ТЕ09. Микроконтроллером обеспечиваются тактовая частота (вывод БСК), последовательность данных (вывод М081), сигнал ШИМ (вывод

PWM) и сигнал защелки (вывод РАО). 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 мА [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.

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.

Эта плата имеет импульсный DC/DC-преобразователь, выполненный на ключевом

Рис. 8. Плата с массивом из 32 светодиодов

и

>

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

Таблица 2. Спецификация 8ТР16С1_596 Таблица 3. Перечень микросхем драйверов светодиодов компании БТ

Питание (Vcc) Диапазон Vi Температура (Ta) Tphl

вание Корпус Описание V V V Cel Cel ns

STP08C596 DIP-16; SO-16; TSSOP16 8-бит драйвер постоянного тока стока СИД 0 7 0,4...VDD+0,4 -40 85 60

STP08CL596 DIP-16; SO-16; TSSOP16 8-бит драйвер постоянного тока стока СИД 0 7 0,4...VDD+0,4 -40 85 60

STP16C596 DIP-24; SO-24; TSSOP 24; TSSOP24 16-бит драйвер постоянного тока стока СИД 0 7 0,4...VDD+0,4 -40 85 30

STP16CL596 DIP-24; SO-24; TSSOP 24; TSSOP24 Низковольтовый 16-бит драйвер постоянного тока стока СИД 0 7 0,4...VDD+0,4 -40 85 30

STP16CP596 DIP-24; SO-24; TSSOP 24; TSSOP24 16-бит драйвер постоянного тока стока СИД 0 7 0,4...VDD+0,4 -40 85 30

STPIC44L02 SSOP24 4-канальный последовательный и параллельный драйвер нижнего плеча (PREFET) 4,5 5,5 0...VCC -40 125 30

STPIC6A259 SO-24 8-бит адресуемая защелка (силовая логика) _ 7 от -0,3 до 7 -40 125 30

STPIC6C595 SO-16; TSSOP16 8-бит адресуемая защелка (силовая логика) _ 7 от -0,3 до 7 -40 125 80

№ п/п Коли- чество Указатель Параметр

1 1 CONNECTOR1 Разъем ICC (JTAG)

2 5 C1,C2,C3,C5,C6 100 nF

3 1 C4 10 nF

4 1 C7 220 pF

5 1 C8 22 nF

6 1 C9 10 uF /35V

7 1 C10 100 uF /16V

8 1 C11 220 uF /16V

9 32 D1-D32 SMD голубые LED (RUTRONIK -15-21/BHC-AN1P2/2T)

10 1 D33 SMD зеленый LED

11 1 D34 STPS340U

12 1 IO1 ST7LITE09

13 2 IO2,IO3 STP16CL596

14 1 IO4 L78L33

15 1 IO5 L5970D

16 4 J1,J2,J3,J4 Разъем CON1

17 1 J5 Разъем CON3

18 1 L1 33 uH COILCRAFT DO3316P-333

19 3 P1,P2,R3 10K

20 2 R1,R2 1K3

21 1 R4 560O

22 1 R5 6k8

23 1 R6 3k

24 1 R7 4k7

25 1 S1 Переключатель

регуляторе Ь5970Э с шаговым понижением для входных напряжений питания в диапазоне от 5 до 35 В. Эта плата имеет собственное обозначение: 8ТЬЕ032МЛТ-ЕУЛЬ1.

Принципиальная схема этой разработки представлена на рис. 9.

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 А (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.

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

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.