《電子技術(shù)應(yīng)用》
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三通道高亮度LED驅(qū)動(dòng)芯片的ASIC設(shè)計(jì)
2015年電子技術(shù)應(yīng)用第4期
黃 偉1,,翟江輝1,,楊秋玉2,康金星3
1.桂林電子科技大學(xué),,廣西 桂林541004,; 2.廣州金升陽(yáng)科技有限公司,廣東 廣州510663,; 3.中國(guó)人民解放軍95853部隊(duì),,北京100076
摘要: 根據(jù)LED驅(qū)動(dòng)芯片的應(yīng)用場(chǎng)合和應(yīng)用模式設(shè)計(jì)了一款脈沖式LED驅(qū)動(dòng)芯片。該芯片自帶3路PWM驅(qū)動(dòng)輸出,,具有8位(256灰度等級(jí))數(shù)據(jù)解析和2 048級(jí)對(duì)比度的顯示性能,。同時(shí),完成的芯片具有自動(dòng)整形轉(zhuǎn)發(fā)技術(shù),,從而實(shí)現(xiàn)了芯片單線級(jí)聯(lián)的功能,。在實(shí)際應(yīng)用中芯片級(jí)聯(lián)個(gè)數(shù)僅受限刷屏技術(shù)要求,,大大簡(jiǎn)化了應(yīng)用電路的復(fù)雜度。所設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)芯片的版圖完全通過(guò)dracula的DRC和LVS驗(yàn)證,。目前芯片已加工制作完畢,,測(cè)試結(jié)果正常,完成了預(yù)定的功能,。
關(guān)鍵詞: 高亮度LED ASIC 解碼 ROM PWM控制
中圖分類號(hào): TN492
文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼: A
文章編號(hào): 0258-7998(2015)04-0046-04
ASIC design for three-channel high-brightness LED driver chip
Huang Wei1,,Zhai Jianghui1,Yang Qiuyu2,,Kang Jinxing3
1.Guilin University of Electronic Technology,,Guilin 541004,,China,; 2.MORNSUN,Guangzhou 510663,,China,; 3.PLA95853,Beijing 100076,,China
Abstract: According to the mode of application of the LED driver chip, a pulsed LED driver chip was designed. The chip comes with a 3-channel PWM drive data analysis output, with 8-bit(256 gray levels), 2 048 levels contrast performance. In specific applications, the chip with forward auto-shaping technology to chip single-wire cascade function, and the cascading number only limited scraper technical requirements. The layout of the chip through dracula DRC and LVS verification completely. Now the chip has been manufactured and the test results show that the chip can meet the functional requirements.
Key words : high brightness LED,;ASIC;decode,;ROM,;PWM control

 

0 引言

  LED作為一種新型光源,以其低供電電壓,、低功耗,、長(zhǎng)壽命、無(wú)輻射等特點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于各種場(chǎng)合,。

  LED本身的發(fā)光特性使其具有易控制,、頻閃快的特點(diǎn)。因此把三基色的LED驅(qū)動(dòng)電路做成專用集成電路(ASIC),,按PWM(占空比)方式獨(dú)立控制R(紅),、G(綠)、B(藍(lán))三種LED的發(fā)光灰度就可實(shí)現(xiàn)全彩效果的LED燈光控制技術(shù),。這樣既可以大大地簡(jiǎn)化整個(gè)LED應(yīng)用系統(tǒng)的復(fù)雜度,,又降低LED系統(tǒng)產(chǎn)品的成本,同時(shí)提高LED產(chǎn)品的可靠性[1],。

  本文提出了一個(gè)三通道LED恒壓驅(qū)動(dòng)控制專用器件的ASIC設(shè)計(jì)方案,,驅(qū)動(dòng)IC內(nèi)部集成數(shù)字接口、數(shù)據(jù)鎖存器及脈沖寬度調(diào)制(PWM)等模塊電路,。通過(guò)外圍控制器和簡(jiǎn)單的應(yīng)用電路就可實(shí)現(xiàn)該驅(qū)動(dòng)芯片對(duì)LED的單獨(dú)灰度控制,。同時(shí),,驅(qū)動(dòng)芯片采用數(shù)據(jù)自動(dòng)整形轉(zhuǎn)發(fā)技術(shù)。這樣在具體工程應(yīng)用中可以將驅(qū)動(dòng)芯片進(jìn)行單線級(jí)聯(lián),,且級(jí)聯(lián)個(gè)數(shù)不受信號(hào)傳送的限制而僅僅受限刷屏技術(shù)要求,。該方案簡(jiǎn)化了工程應(yīng)用電路,同時(shí)使得圖像的更新速度滿足了視覺(jué)無(wú)閃爍的要求,。

1 設(shè)計(jì)思路

  本文設(shè)計(jì)的三通道LED驅(qū)動(dòng)芯片采用單極性歸零碼的方式收發(fā)數(shù)據(jù),在具體工程應(yīng)用中可以以500 kb/s(低速)或者1 Mb/s(高速)的速度接收控制器發(fā)出的視覺(jué)數(shù)據(jù)信號(hào),。

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  芯片可接收的單極性歸零碼數(shù)據(jù)形式如圖1所示,。這種碼型中每個(gè)比特位都有歸零措施,從而降低了低頻成分,,有利于信號(hào)的傳輸,。同時(shí)在每個(gè)比特位的開始時(shí)刻都存在由低電位到高電位的跳變,含有豐富的定時(shí)信息,。同時(shí)1/4和3/4的占空比的編碼方式使得芯片的解碼更準(zhǔn)確,。應(yīng)用這樣的編解碼方式可允許芯片存在一定的采樣時(shí)鐘偏差。如圖1所示,,低速模式下該碼型以占空比3/4,、周期為1.5 ?滋s的矩形脈沖表示“1”,以占空比1/4,、周期為0.5 s的矩形脈沖表示“0”,。同時(shí)在每幀數(shù)據(jù)的末尾有一個(gè)24 ?滋s長(zhǎng)時(shí)間的低電平信號(hào)RESET以表示一幀數(shù)據(jù)的結(jié)束。

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  根據(jù)LED的驅(qū)動(dòng)方式,,本文設(shè)計(jì)的LED驅(qū)動(dòng)芯片主要完成對(duì)輸入信號(hào)分析,、解碼以及數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā),最后產(chǎn)生PWM波形控制R(紅),、G(綠),、B(藍(lán))發(fā)光灰度的任務(wù)??傮w設(shè)計(jì)框圖如圖2所示,。電路的整體思路設(shè)計(jì)大致如下:芯片從DI口接收歸零碼格式的數(shù)據(jù),解碼模塊完成輸入數(shù)據(jù)的二進(jìn)制碼元的恢復(fù)并送往下一個(gè)模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)鎖存,。Gamma 校正模塊將信號(hào)分析模塊輸出的數(shù)據(jù)通過(guò)系數(shù)1.8的Gamma 視覺(jué)校正后輸出11位寬度校正數(shù)據(jù),,最后由PWM產(chǎn)生器根據(jù)這11位校正數(shù)據(jù)產(chǎn)生相應(yīng)的PWM輸出波形,從而控制和點(diǎn)亮LED,。PWM輸出端口OUT0,、OUT1、OUT2采用增強(qiáng)式PWM 控制,,可實(shí)現(xiàn)2 048 級(jí)(11位)步進(jìn),。這樣的處理使得LED在低灰度顯示時(shí)亮度的變化更柔和更平滑,。

2 芯片各模塊設(shè)計(jì)

  2.1 解碼與信號(hào)處理

  芯片輸入的歸零碼數(shù)據(jù)中的“0”、“1”分別以不同占空比的矩形脈沖(歸零碼)表示,。在這種碼型中,,數(shù)據(jù)都是以高電平開始,低電平結(jié)束,,每個(gè)數(shù)據(jù)位的開始時(shí)刻都有一個(gè)上升沿,。其解碼原理如圖3所示。

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  在每幀數(shù)據(jù)流的最后有不小于24 ?滋s的同步刷新信號(hào)以表示一幀歸零碼的結(jié)束,。在具體的設(shè)計(jì)中可利用一個(gè)計(jì)數(shù)信號(hào)在24 s到來(lái)時(shí)將電路中的計(jì)數(shù)器和移位寄存器復(fù)位,,以保證下一幀不會(huì)與上一幀數(shù)據(jù)發(fā)生錯(cuò)亂現(xiàn)象。同時(shí)還可利用該信號(hào)作為Gamma矯正和PWM數(shù)據(jù)刷新的觸發(fā)信號(hào)以達(dá)到簡(jiǎn)化電路設(shè)計(jì)的目的,。

  數(shù)據(jù)輸入端口接收完24位數(shù)據(jù)后即刻將后續(xù)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)至下一顆芯片中,。每位數(shù)據(jù)都由上升沿開始,可以用數(shù)據(jù)的上升沿啟動(dòng)計(jì)數(shù)器,。將計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)完24時(shí)的計(jì)數(shù)結(jié)果進(jìn)行邏輯處理,,可產(chǎn)生一個(gè)“0”→“1”跳變的高電平信號(hào),用此高電平與輸入數(shù)據(jù)相與,,即可在轉(zhuǎn)發(fā)端口處輸出第25位及25以后的輸入數(shù)據(jù),。

  解碼模塊輸出的數(shù)據(jù)為24位的串行數(shù)據(jù),而Gamma 校正模塊中的輸入數(shù)據(jù)須為3個(gè)8位代表RGB信息的并行數(shù)據(jù),,故在設(shè)計(jì)Gamma校正模塊前須將解碼模塊中解出的數(shù)據(jù)進(jìn)行鎖存且并行輸出,。

  2.2 Gamma校正


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  本文中的驅(qū)動(dòng)芯片接收的8位數(shù)據(jù)通過(guò)系數(shù)1.8的Gamma視覺(jué)校正達(dá)到2 048(11位)步進(jìn),這樣的處理使得LED在低灰度顯示時(shí)變化更柔和,、更平滑,。表1說(shuō)明8位數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)系數(shù)1.8的Gamma校正后的相應(yīng)輸出。本文采用數(shù)字查找表的方式設(shè)計(jì)Gamma校正,,其原理框圖如圖4所示,。數(shù)據(jù)檢測(cè)器檢測(cè)到數(shù)字信號(hào)后送往ROM查找表,然后在ROM查找表中查到與之相應(yīng)的一個(gè)預(yù)先設(shè)定的Gamma值,,最后將此Gamma值送往下一模塊電路中,。在這個(gè)方案中,ROM查找表的功能就是把N bit的輸入信號(hào)根據(jù)ROM中寄存的值轉(zhuǎn)化成相應(yīng)的M bit輸出信號(hào),。

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  本文的驅(qū)動(dòng)芯片內(nèi)部集成了一個(gè)ROM模塊,。由數(shù)據(jù)流經(jīng)過(guò)解碼和信號(hào)處理后得出的8位并行數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)Gamma校正后輸出相應(yīng)的11位數(shù)據(jù)都被存儲(chǔ)在這個(gè)ROM模塊中,最后將ROM模塊輸出的11位數(shù)據(jù)送往PWM模塊中,。

  2.3 PWM控制模塊

  本文中PWM控制模塊電路的目的是要實(shí)現(xiàn)高亮度LED的亮度調(diào)制,。LED驅(qū)動(dòng)芯片RGB的輸出端口采用PWM輸出的方式,如果亮度值的編碼為n bit,則LED就有2n個(gè)灰度等級(jí),。若LED的亮度值為D,,則此LED在前D個(gè)狀態(tài)時(shí)被點(diǎn)亮,在2n-D個(gè)狀態(tài)下被熄滅,,進(jìn)而可以實(shí)現(xiàn)灰度級(jí)數(shù)值與PWM占空比的對(duì)應(yīng)過(guò)程,。

  本文設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)芯片的輸出端口OUT0、OUT1,、OUT2采用增強(qiáng)式PWM控制,,接收的8位數(shù)據(jù)通過(guò)系數(shù)1.8的Gamma校正達(dá)到11位步進(jìn)。因此,,在本文中將PWM周期分成2 048(211)個(gè)等份,,每個(gè)等份對(duì)應(yīng)的時(shí)間周期為T/2 048,T代表PWM周期,。在每個(gè)PWM周期開始時(shí),LED全部點(diǎn)亮,,然后根據(jù)亮度值決定此LED何時(shí)熄滅,。亮度值為0時(shí),表示LED在導(dǎo)通瞬間立即熄滅,,亮度值最大時(shí),,則表示LED始終導(dǎo)通。但是由表1 中Gamma校正后的11位相應(yīng)數(shù)據(jù)可知,,在亮度值最大為FFH時(shí),,始終導(dǎo)通最大的周期為79CH,即為1 948,,則本文可以設(shè)定最大的點(diǎn)亮周期為1 948,。圖5為PWM亮度控制示意圖,圖中 OUT0輸出的是亮度值為0時(shí)LED熄滅的PWM波形,; OUT1輸出的是亮度值為1時(shí)的PWM波形,,即占空比為1/1 948;OUT2輸出的是亮度值為最大時(shí)LED最亮的PWM波形,。

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  根據(jù)以上PWM控制原理的分析可知,,PWM可分成三個(gè)部分:

  (1)實(shí)現(xiàn)一個(gè)11位計(jì)數(shù)器計(jì)算PWM的周期。同時(shí)設(shè)計(jì)一個(gè)邏輯電路,,運(yùn)用邏輯關(guān)系可以使得計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)到1 947時(shí)輸出置1的判決信號(hào),。

  (2)設(shè)計(jì)邏輯電路分析出輸入的亮度數(shù)據(jù),并將比較的結(jié)果用于清零判定,。該邏輯電路完成從ROM模塊校正后輸出的11位數(shù)據(jù)與PWM計(jì)數(shù)器產(chǎn)生的計(jì)數(shù)值從高位到低位形成異或的關(guān)系,,從而得出一個(gè)比較值以判決這兩組信號(hào)是否相同。若各位數(shù)相異或的結(jié)果都為0,,則表示找到了11位數(shù)據(jù)在PWM模塊中相應(yīng)的等份值,,否則其結(jié)果為1,。這樣可得到一個(gè)PWM輸出清零的控制信號(hào)。

  (3)PWM波形輸出電路,。當(dāng)11位計(jì)數(shù)器由2 047計(jì)數(shù)到1 947時(shí)輸出一個(gè)高電平信號(hào),。在此刻可以用高電平的上升沿觸發(fā)一個(gè)D觸發(fā)器,將D觸發(fā)器的Q端輸出置“1”,,從而產(chǎn)生一個(gè)高電平脈沖,。接下來(lái)把第二部分電路中產(chǎn)生的控制信號(hào)作為此高電平脈沖的清零信號(hào)。即異步計(jì)數(shù)器在1 947處產(chǎn)生一個(gè)高電平,,同時(shí)若找到了ROM模塊輸出的11位數(shù)據(jù)在PWM模塊中相應(yīng)的值時(shí)將被觸發(fā)置1的D觸發(fā)器進(jìn)行清零操作,,這樣就可以產(chǎn)生相應(yīng)的PWM波形。

3 芯片總體功能仿真及版圖設(shè)計(jì)


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  整個(gè)LED驅(qū)動(dòng)芯片的總體電路框圖如圖6所示,,其中DI為數(shù)據(jù)輸入端口,,DO為芯片級(jí)聯(lián)端口,OUT0,、OUT1和OUT2分別為RGB三基色的PWM波形輸出端口,。總體電路包括同步刷新信號(hào)檢測(cè)電路24us_dec,、解碼電路decorder,、信號(hào)處理電路deal、存儲(chǔ)器ROM以及PWM產(chǎn)生器,。根據(jù)輸入數(shù)據(jù)的要求,,本文解碼模塊的采樣時(shí)鐘clk_sample選取4 MHz(低速)或者8 MHz(高速), PWM產(chǎn)生器模塊的計(jì)數(shù)時(shí)鐘clk_PWM選取500 kHz,。

  設(shè)計(jì)中將以上各個(gè)模塊的電路進(jìn)行連接,,在Cadence軟件中進(jìn)行數(shù)模混合仿真[3],,仿真結(jié)果如圖7所示,。

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  仿真的輸入數(shù)據(jù)流為:第一幀數(shù)據(jù)為16個(gè)“1000 1000 1000 1000 1000 1000 1000 1110”,第二幀數(shù)據(jù)為16個(gè)“1000 1110 1000 1110 1000 1110 1000 1110”,,第一幀與第二幀之間相隔200 ?滋s的低電平,。圖中下方為DI輸入的兩幀數(shù)據(jù),上方DO為自動(dòng)轉(zhuǎn)發(fā)出的兩幀數(shù)據(jù),。由于文中PWM模塊的計(jì)數(shù)時(shí)鐘clk_PWM選取500 kHz,,則一個(gè)PWM的周期為4.096 ms。相隔200 s的刷新信號(hào)不足以產(chǎn)生一個(gè)完整PWM波形,,故第一幀數(shù)據(jù)無(wú)法輸出PWM波形,,圖中的RGB所表示的PWM波形是由第二幀數(shù)據(jù)產(chǎn)生的。在實(shí)際應(yīng)用中,將本文設(shè)計(jì)的LED驅(qū)動(dòng)芯片RGB的PWM輸出端與高亮度LED的RGB 3個(gè)腳分別相接,,即可控制高亮度LED色彩和亮度,。

  后端設(shè)計(jì)在Cadence軟件中采用CSMC05的工藝完成。為了使LED驅(qū)動(dòng)芯片版圖在面積和性能上實(shí)現(xiàn)最優(yōu)化,,本文采用全手工布局布線的方式完成版圖設(shè)計(jì),。根據(jù)具體的邏輯,將相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)單元從單元庫(kù)中調(diào)出,,排列成行,,根據(jù)相鄰兩行的需要和布線的規(guī)則,決定布線通道,,進(jìn)行布線和I/O端口的連接,,完成整個(gè)版圖的設(shè)計(jì)[3]。版圖包括8個(gè)輸入輸出保護(hù)單元和壓焊塊,,近200個(gè)邏輯門共3 000多個(gè)MOS器件,,版圖面積為898.4 m×972.05 m。本文的驅(qū)動(dòng)芯片完全通過(guò)dracula的DRC和LVS驗(yàn)證,,并在2012年2月送往華潤(rùn)上華進(jìn)行加工制作,。目前芯片已加工制作完畢,測(cè)試結(jié)果正常,,完成了預(yù)定的功能。

4 結(jié)束語(yǔ)

  本文提出了一個(gè)完整的三通道高亮度LED驅(qū)動(dòng)芯片的ASIC設(shè)計(jì)方案,。設(shè)計(jì)出的芯片采用單極性歸零碼的方式收發(fā)數(shù)據(jù),,且采用自動(dòng)整形轉(zhuǎn)發(fā)技術(shù),使得該芯片的級(jí)聯(lián)個(gè)數(shù)不受信號(hào)傳送限制,,僅受限于刷屏速度的要求,。同時(shí),芯片的輸出端采用增強(qiáng)式PWM控制輸出,,所接收的歸零碼經(jīng)解碼后的8位數(shù)據(jù)通過(guò)系數(shù)1.8的Gamma 校正可達(dá)到2 048級(jí)(11位)步進(jìn),,使得在低灰度顯示時(shí)變化更柔和更平滑。后端采用CSMC05工藝,,綜合考慮電路性能,、成本等因素,利用全定制的方式完成整體芯片版圖的設(shè)計(jì),。本文設(shè)計(jì)的LED驅(qū)動(dòng)芯片能適用于裝飾燈串,、廣告模組、信息屏等應(yīng)用場(chǎng)合,,有較好的商業(yè)價(jià)值,。

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