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)。

　　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(kāi)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。

　　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(kāi)始，低電平結(jié)束，每個(gè)數(shù)據(jù)位的開(kāi)始時(shí)刻都有一個(gè)上升沿。其解碼原理如圖3所示。

　　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(kāi)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

　　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)。

　　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(kāi)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。

　　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)

　　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。

　　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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