基于NXP混光芯片的RGB LED彩灯控制方案

LED是一种性能优良的显示器件，具有寿命长、节电、高亮度、多种发光颜色、响应速度快和驱动电压低等优点，在节省能源的同时还可以通过PWM器件调节LED发光强度，依据R、G、B三原色混光原理调出多种颜色，再通过MCU智能控制实现多种显示效果。现正大量应用于城市亮化、建筑景观照明、舞台灯光设计等领域。

        本设计方案采用恩智浦半导体(NXP)的电源管理芯片、微控制器、I2C器件、LED驱动器件，为LED灯光系统设计提供全套的方案设计。

        主要芯片：PCA9633/34/35：NXP I2总线RGB/RGBA LED闪烁/混光芯片；TEA152x：NXP电源芯片；LPC92x：NXP 900系列MCU；P82B96/PCA9600：NXP I2C总线驱动芯片。
 

 

主要应用：
1. 点光源：应用LED彩色屏显示原理，将其像素放大，降低整体造价成本，每个模块为一个彩色像素点。应用环境：酒吧、KTV、舞台、商场、展厅，作为音乐旋律显示，背景墙装饰、幕墙广告等。

2. LED彩虹管：每条灯管由多个彩色像素点(RGB)组成，每个单色像素点可产生256个灰度级的变化。应用环境：立交桥、河道护栏、建筑外墙等不同场所的装饰照明。

系统硬件设计：

LED彩灯控制系统主要包含驱动模块、控制模块、LED电源三部分。

1. 驱动模块设计

        如何实现让LED模块呈现不同的颜色，主要依靠人的视觉间歇惰性原理，利用对R、G、B三原色的LED的占空比实现颜色的混合。本设计方案的LED颜色显示主要依靠NXP公司的I2C接口LED闪烁/混光驱动芯片PCA9633(PCA9633－4位PWM输出，PCA9634－8位PWM输出，PCA9635－16位PWM输出)输出256灰度级的颜色来实现彩色显示。控制器只需要传送该模块的RGB颜色的灰度值即可实现颜色显示。

        PCA9633是I2C总线控制的可编程PWM输出的四位LED驱动器件，主要应用于LEDRGB/RGBA(Red/Green/Blue/Amber)混光，主要性能指标如下：

1. 4路LED驱动，每路驱动可以通过软件编程为四种状态，分别是：开、关、可编程PWM闪烁控制输出、可编程每路灰度级别，同时支持四路整体亮度调节的PWM混光输出。

2. 调光控制，PWM输出频率97kHz，每路有256个灰度级别。

3. 闪烁控制，PWM可编程频率范围24Hz~10.73s，占空比可编程范围0%~99.6%。

4. 可通过190Hz的PWM输出对四路PWM输出整体亮度256级调节。

5. 四位输出可编程设置为推拉输出(在5V时，灌电流25mA，拉电流10mA)。

6. 7个硬件地址设定引脚，同一I2C总线最大可接126片。

7. 每片PCA9633有四个可编程软件地址：一个全部响应地址和三个子地址。

8. 内置25MHz晶振和上电复位电路，也可通过I2C总线实现软件复位。

9. SDA/SCL内置噪声滤波器，支持1MHz的I2C快速模式。

10. 支持热插入，低待机电流，支持电压范围：2.3~5.5V。

        下图为驱动单元的设计，其中红绿蓝3色LED的数量可以是多个的，根据自己的设计要求可以选择并联或串联的方式，再按照LED的连接方式及电压/电流等要求选择适合的开关管即可，少量的LED也可用PCA9633直接驱动，具体参数见PCA9633资料。驱动模块通过PCA9633的A6~A0管脚设定访问地址，接到控制模块输出的I2C总线上就可正常工作，每条I2C总线可接126块调光驱动模块。
 

2. 控制模块设计

        控制模块如下图所示，主要作用是通过MCU对I2C总线上所有调光模块进行控制，以实现各种显示效果，P82B96为I2C总线驱动芯片，用来提高总线驱动能力，传输速率在20~50kbps时，传输距离可达1km。MCU可根据实际的系统要求进行选择，在控制总线器件调光的同时还可以加入其它的操作，例如显示图像处理、与PC通信、扩展存储空间等等。
 

 

控制模块与驱动模块连接如下图所示。
 

 

I2C总线传输速率与电缆长度与其它总线比较见下图。
 

3. 电源部分

        电源部分要根据具体的LED数量及连接方式等因素确定具体参数，下图为采用NXP STARplug系列芯片的LED电源方案，该方案设计简单，体积小，宽电压输入，低成本，低损耗等优点，被广泛应用于LED领域。