0 引言

　　LED作為一種新型光源，以其低供電電壓、低功耗、長壽命、無輻射等特點被廣泛應用于各種場合。

　　LED本身的發(fā)光特性使其具有易控制、頻閃快的特點。因此把三基色的LED驅動電路做成專用集成電路(ASIC)，按PWM(占空比)方式獨立控制R(紅)、G(綠)、B(藍)三種LED的發(fā)光灰度就可實現(xiàn)全彩效果的LED燈光控制技術。這樣既可以大大地簡化整個LED應用系統(tǒng)的復雜度，又降低LED系統(tǒng)產品的成本，同時提高LED產品的可靠性[1]。

　　本文提出了一個三通道LED恒壓驅動控制專用器件的ASIC設計方案，驅動IC內部集成數(shù)字接口、數(shù)據(jù)鎖存器及脈沖寬度調制（PWM）等模塊電路。通過外圍控制器和簡單的應用電路就可實現(xiàn)該驅動芯片對LED的單獨灰度控制。同時，驅動芯片采用數(shù)據(jù)自動整形轉發(fā)技術。這樣在具體工程應用中可以將驅動芯片進行單線級聯(lián)，且級聯(lián)個數(shù)不受信號傳送的限制而僅僅受限刷屏技術要求。該方案簡化了工程應用電路，同時使得圖像的更新速度滿足了視覺無閃爍的要求。

1 設計思路

　　本文設計的三通道LED驅動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)出的視覺數(shù)據(jù)信號。

　　芯片可接收的單極性歸零碼數(shù)據(jù)形式如圖1所示。這種碼型中每個比特位都有歸零措施，從而降低了低頻成分，有利于信號的傳輸。同時在每個比特位的開始時刻都存在由低電位到高電位的跳變，含有豐富的定時信息。同時1/4和3/4的占空比的編碼方式使得芯片的解碼更準確。應用這樣的編解碼方式可允許芯片存在一定的采樣時鐘偏差。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”。同時在每幀數(shù)據(jù)的末尾有一個24 ?滋s長時間的低電平信號RESET以表示一幀數(shù)據(jù)的結束。

　　根據(jù)LED的驅動方式，本文設計的LED驅動芯片主要完成對輸入信號分析、解碼以及數(shù)據(jù)的轉發(fā)，最后產生PWM波形控制R（紅）、G（綠）、B（藍）發(fā)光灰度的任務。總體設計框圖如圖2所示。電路的整體思路設計大致如下：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)的二進制碼元的恢復并送往下一個模塊進行數(shù)據(jù)鎖存。Gamma 校正模塊將信號分析模塊輸出的數(shù)據(jù)通過系數(shù)1.8的Gamma 視覺校正后輸出11位寬度校正數(shù)據(jù)，最后由PWM產生器根據(jù)這11位校正數(shù)據(jù)產生相應的PWM輸出波形，從而控制和點亮LED。PWM輸出端口OUT0、OUT1、OUT2采用增強式PWM 控制，可實現(xiàn)2 048 級（11位）步進。這樣的處理使得LED在低灰度顯示時亮度的變化更柔和更平滑。

2 芯片各模塊設計

　　2.1 解碼與信號處理

　　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，低電平結束，每個數(shù)據(jù)位的開始時刻都有一個上升沿。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的同步刷新信號以表示一幀歸零碼的結束。在具體的設計中可利用一個計數(shù)信號在24 s到來時將電路中的計數(shù)器和移位寄存器復位，以保證下一幀不會與上一幀數(shù)據(jù)發(fā)生錯亂現(xiàn)象。同時還可利用該信號作為Gamma矯正和PWM數(shù)據(jù)刷新的觸發(fā)信號以達到簡化電路設計的目的。

　　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)的上升沿啟動計數(shù)器。將計數(shù)器計數(shù)完24時的計數(shù)結果進行邏輯處理，可產生一個“0”→“1”跳變的高電平信號，用此高電平與輸入數(shù)據(jù)相與，即可在轉發(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8位代表RGB信息的并行數(shù)據(jù)，故在設計Gamma校正模塊前須將解碼模塊中解出的數(shù)據(jù)進行鎖存且并行輸出。

　　2.2 Gamma校正

　　本文中的驅動芯片接收的8位數(shù)據(jù)通過系數(shù)1.8的Gamma視覺校正達到2 048（11位）步進，這樣的處理使得LED在低灰度顯示時變化更柔和、更平滑。表1說明8位數(shù)據(jù)經(jīng)過系數(shù)1.8的Gamma校正后的相應輸出。本文采用數(shù)字查找表的方式設計Gamma校正，其原理框圖如圖4所示。數(shù)據(jù)檢測器檢測到數(shù)字信號后送往ROM查找表，然后在ROM查找表中查到與之相應的一個預先設定的Gamma值，最后將此Gamma值送往下一模塊電路中。在這個方案中，ROM查找表的功能就是把N bit的輸入信號根據(jù)ROM中寄存的值轉化成相應的M bit輸出信號。

　　本文的驅動芯片內部集成了一個ROM模塊。由數(shù)據(jù)流經(jīng)過解碼和信號處理后得出的8位并行數(shù)據(jù)經(jīng)過Gamma校正后輸出相應的11位數(shù)據(jù)都被存儲在這個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現(xiàn)高亮度LED的亮度調制。LED驅動芯片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個灰度等級。若LED的亮度值為D，則此LED在前D個狀態(tài)時被點亮，在2n-D個狀態(tài)下被熄滅，進而可以實現(xiàn)灰度級數(shù)值與PWM占空比的對應過程。

　　本文設計的驅動芯片的輸出端口OUT0、OUT1、OUT2采用增強式PWM控制，接收的8位數(shù)據(jù)通過系數(shù)1.8的Gamma校正達到11位步進。因此，在本文中將PWM周期分成2 048（211）個等份，每個等份對應的時間周期為T/2 048，T代表PWM周期。在每個PWM周期開始時，LED全部點亮，然后根據(jù)亮度值決定此LED何時熄滅。亮度值為0時，表示LED在導通瞬間立即熄滅，亮度值最大時，則表示LED始終導通。但是由表1 中Gamma校正后的11位相應數(shù)據(jù)可知，在亮度值最大為FFH時，始終導通最大的周期為79CH，即為1 948，則本文可以設定最大的點亮周期為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LED熄滅的PWM波形； OUT1輸出的是亮度值為1時的PWM波形，即占空比為1/1 948；OUT2輸出的是亮度值為最大時LED最亮的PWM波形。

　　根據(jù)以上PWM控制原理的分析可知，PWM可分成三個部分：

　　(1)實現(xiàn)一個11位計數(shù)器計算PWM的周期。同時設計一個邏輯電路，運用邏輯關系可以使得計數(shù)器計數(shù)到1 947時輸出置1的判決信號。

　　(2)設計邏輯電路分析出輸入的亮度數(shù)據(jù)，并將比較的結果用于清零判定。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計數(shù)器產生的計數(shù)值從高位到低位形成異或的關系，從而得出一個比較值以判決這兩組信號是否相同。若各位數(shù)相異或的結果都為0，則表示找到了11位數(shù)據(jù)在PWM模塊中相應的等份值，否則其結果為1。這樣可得到一個PWM輸出清零的控制信號。

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

3 芯片總體功能仿真及版圖設計

　　整個LED驅動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為芯片級聯(lián)端口，OUT0、OUT1和OUT2分別為RGB三基色的PWM波形輸出端口?？傮w電路包括同步刷新信號檢測電路24us_dec、解碼電路decorder、信號處理電路deal、存儲器ROM以及PWM產生器。根據(jù)輸入數(shù)據(jù)的要求，本文解碼模塊的采樣時鐘clk_sample選取4 MHz(低速)或者8 MHz(高速)， PWM產生器模塊的計數(shù)時鐘clk_PWM選取500 kHz。

　　設計中將以上各個模塊的電路進行連接，在Cadence軟件中進行數(shù)?；旌戏抡鎇3]，仿真結果如圖7所示。

　　仿真的輸入數(shù)據(jù)流為：第一幀數(shù)據(jù)為16個“1000 1000 1000 1000 1000 1000 1000 1110”，第二幀數(shù)據(jù)為16個“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為自動轉發(fā)出的兩幀數(shù)據(jù)。由于文中PWM模塊的計數(shù)時鐘clk_PWM選取500 kHz，則一個PWM的周期為4.096 ms。相隔200 s的刷新信號不足以產生一個完整PWM波形，故第一幀數(shù)據(jù)無法輸出PWM波形，圖中的RGB所表示的PWM波形是由第二幀數(shù)據(jù)產生的。在實際應用中，將本文設計的LED驅動芯片RGB的PWM輸出端與高亮度LED的RGB 3個腳分別相接，即可控制高亮度LED色彩和亮度。

　　后端設計在Cadence軟件中采用CSMC05的工藝完成。為了使LED驅動芯片版圖在面積和性能上實現(xiàn)最優(yōu)化，本文采用全手工布局布線的方式完成版圖設計。根據(jù)具體的邏輯，將相應的標準單元從單元庫中調出，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，進行布線和I/O端口的連接，完成整個版圖的設計[3]。版圖包括8個輸入輸出保護單元和壓焊塊，近200個邏輯門共3 000多個MOS器件，版圖面積為898.4 m×972.05 m。本文的驅動芯片完全通過dracula的DRC和LVS驗證，并在2012年2月送往華潤上華進行加工制作。目前芯片已加工制作完畢，測試結果正常，完成了預定的功能。

4 結束語

　　本文提出了一個完整的三通道高亮度LED驅動芯片的ASIC設計方案。設計出的芯片采用單極性歸零碼的方式收發(fā)數(shù)據(jù)，且采用自動整形轉發(fā)技術，使得該芯片的級聯(lián)個數(shù)不受信號傳送限制，僅受限于刷屏速度的要求。同時，芯片的輸出端采用增強式PWM控制輸出，所接收的歸零碼經(jīng)解碼后的8位數(shù)據(jù)通過系數(shù)1.8的Gamma 校正可達到2 048級（11位）步進，使得在低灰度顯示時變化更柔和更平滑。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計。本文設計的LED驅動芯片能適用于裝飾燈串、廣告模組、信息屏等應用場合，有較好的商業(yè)價值。

　　參考文獻

　　[1] 楊恒.LED照明驅動電路設計與實例精選[M].北京：中國電力出版社，2008.

　　[2] RABAEY J M,CHANDRAKASAN A，NIKOLIC B.數(shù)字集成電路：電路、系統(tǒng)與設計：a design perspective[M].北京：電子工業(yè)出版社，2010.

　　[3] BRUNVAND E.數(shù)字VLSI芯片設計——使用Cadence和Synopsys CAD工具[M].北京：電子工業(yè)出版社，2009.

　　[4] 小林芳直.數(shù)字邏輯電路的ASIC設計[M].北京：科學出版社，2004.

　　[5] 豬飼國夫，本多中二.數(shù)字系統(tǒng)設計[M].北京：科學出版社，2004.

　　[6] 孫學軍.通信原理[M].北京：電子工業(yè)出版社，2007.

　　[7] 李桂宏，謝世健.集成電路設計寶典[M].北京：電子工業(yè)出版社，2006.

　　[8] 曾慶貴.集成電路版圖設計[M].北京：機械工業(yè)出版社，2008.