Mô tả chung về mạch điều khiển LPD6803 cho bài tập lớn LPD6803 | Thực tập cơ bản | Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội

Mô tả chung:
LPD6803 là một mạch điều khiển dòng điện không đổi 3 kênh, với khả năng điều chế
đầu ra. Chip này sử dụng công nghệ CMOS điện áp cao tiên tiến, được thiết kế để đáp
ứng nhu cầu điều khiển trong các hệ thống chiếu sáng LED, đặc biệt là trong hệ thống
chiếu sáng toàn màu và chiếu sáng độc lập.
LPD6803 bao gồm một thanh ghi dịch nối tiếp và mạch điều khiển liên kết. Dữ liệu
được chuyển vào thanh ghi dịch nối tiếp thông qua tín hiệu xung nhịp và được lưu trữ,
sau đó chuyển đến giao diện 3 kênh thông qua điều chế độ rộng xung (PWM), rồi xuất
ra. Thanh ghi dịch nối tiếp và bộ đếm có thể được điều khiển bởi các tín hiệu xung nhịp
khác nhau. Trong quá trình này, LPD6803 quản lý cả tín hiệu điều khiển và tín hiệu dữ
liệu, đồng thời cung cấp tín hiệu điều khiển cho mạch tiếp theo. Tính năng:
Đầu ra điều khiển 3 kênh, dòng điện tối đa trên mỗi kênh là 45mA, điện áp đèn
LED có thể đạt tới 12V.
Đầu ra sử dụng cấu trúc điều khiển dòng điện không đổi phản hồi online, tương
thích với module điện áp không đổi. Nó cũng có thể kết nối với thiết bị bên ngoài
để điều khiển đầu ra với điện áp hoặc dòng điện cao hơn.
Tích hợp mạch ổn áp LDO, dải điện áp hoạt động từ 3-8V, cung cấp đầu ra ổn định ở mức 5V.
Sử dụng công nghệ tự thêm chuỗi vòng tròn token-ring, tốc độ xung nhịp dịch có thể đạt tới 24MHz.
Nhập trực tiếp dữ liệu, chuyển đổi thành 256 mức đầu ra thông qua bộ điều
chỉnh ngược gamma bên trong, ví dụ: sử dụng dao động nội làm xung nhịp mức
xám, hỗ trợ chế độ đầu ra FREE RUN, đặc biệt phù hợp với bộ điều khiển giá rẻ.
Tín hiệu đồng hồ dữ liệu được khuếch đại mạnh mẽ để truyền tới chip tiếp theo
nhờ mạch khóa pha tích hợp (PLL).
Công nghệ CMOS điện áp cao, thiết kế công nghiệp, khả năng chống nhiễu vượt trội.
Đóng gói SOP16/QFN16 không chì, đáp ứng yêu cầu RoHS, cũng có thể cung cấp dạng COB hoặc DIE.
Function Block/ Khối chức năng
Input Dealing / Xử lý đầu vào:
LDO Voltage Regulator / Bộ ổn áp điện áp thấp:
SUPER-PWM Grey-Level Adjustment Module / Bộ điều chỉnh mức xám SUPER- PWM:
Oscillator / Bộ dao động nội:
Basic Counter and Compare Array / Bộ đếm cơ bản và mảng so sánh:
Shift Register Array / Mảng thanh ghi dịch:
Output Drivers (OUT1, OUT2, OUT3) / Trình điều khiển đầu ra (OUT1, OUT2, OUT3):
Feedback / Đầu ra phản hồi:
DOUT (Serial Data Output) / Đầu ra dữ liệu nối tiếp:
DCLK0 (Serial Clock Output) / Đầu ra xung nhịp nối tiếp:
Mạch ứng dụng điển hình
>Chế độ điều khiển điện áp không đổi nội bộ (Tương thích với ZQL9712):
Chế độ này (OMODE = mức điện áp cao hoặc không kết nối) phù hợp với trường hợp
VDD không vượt quá 12V và dòng điện trên mỗi kênh không lớn hơn 400mA, Nếu VDD
< 7.5V, có thể bỏ qua các thành phần được đánh dấu bằng đường gạch xanh trong sơ
đồ và kết nối trực tiếp VDD với VCC.
Điện trở điều chỉnh dòng được tính theo công thức: RL = (VDD - VLED - VOUT)/ILED
RL: Giá trị điện trở giới hạn dòng.
VDD: Điện áp nguồn cung cấp cho đèn LED.
VLED: Điện áp đèn LED khi bật.
VOUT: Điện áp bão hòa của cực đầu ra so với đất (khoảng 0.4V – 0.8V).
ILED: Dòng hoạt động của đèn LED (thông thường không vượt quá 20mA).
LPD6803 có khả năng điều khiển mạnh mẽ. Trong nhiều ứng dụng LED, có thể sử
dụng cấu hình “Nối tiếp trước, song song sau” (xem sơ đồ bên phải). Tuy nhiên, cần
đảm bảo tiêu thụ công suất không vượt quá giá trị tối đa PDMAX:
PD = ILED1 * VOUT1 + ILED2 * VOUT2 + ILED3 * VOUT3 + PIC
PIC: Công suất tiêu thụ cơ bản của IC (thông thường không vượt quá 25mW).
Chế độ điều khiển dòng điện không đổi nội bộ
Chế độ này (OMODE = mức cao hoặc không kết nối) tương tự như trên, ngoại trừ việc
thêm một RX tại chân FBX để điều chỉnh dòng điện. Dòng điện qua đèn LED được xác
định bởi RX: ILED ≈ 0.7V / RX.
>Chế độ điều khiển điện áp không đổi bên ngoài
Chế độ này (OMODE = nối đất) phù hợp trong các trường hợp sử dụng nhiều đèn LED hoặc với
điện áp LED cao. Thực tế, các đèn LED nối tiếp được điều khiển bởi các chân OUTx, trong đó
mỗi chân điều khiển một transistor NPN được kết nối bên ngoài.
Điện trở giới hạn dòng được tính như sau:
RL = (VDD - VLED - VCE) / 20mA
VCE: Điện áp bão hòa của transistor, thường trong khoảng 0.5V–0.8V.
RL: Điện trở giới hạn dòng.
Điện trở cơ sở (Rb) cho transistor có thể được đặt trong khoảng 2k–5k Ohm. Các tín hiệu khác
được kết nối tương tự như chế độ trước.
Chế độ này thường được sử dụng trong cấu hình nhiều kênh “nối tiếp trước, song song sau”, vì
trong mạch nối tiếp, tất cả các đèn LED sẽ không sáng nếu bất kỳ đèn nào bị hỏng hoặc ngắt
mạch. Do đó, cần tuân thủ các quy tắc kết nối sau:
Số lượng đèn LED trong mạch nối tiếp không nên quá nhiều (thường từ 3–6 chiếc).
Số lượng đèn LED trong mạch song song không nên quá ít.
Quy tắc trên giúp giảm thiểu ảnh hưởng của việc hỏng một đèn LED, đồng thời tránh việc sử
dụng điện trở giới hạn công suất lớn bằng cách chia công suất thành nhiều điện trở nhỏ hơn.
Điều này cũng giúp tản nhiệt tốt hơn và làm cho cấu trúc chiếu sáng gọn nhẹ hơn.
Chế độ điều khiển dòng điện không đổi bên ngoài
Chế độ này (OMODE = mức điện áp cao hoặc không kết nối) phù hợp trong trường hợp sử dụng
một số lượng nhỏ đèn LED và VDD lớn hơn 12V. Mục đích chính của chế độ này là tăng khả
năng chịu điện áp cao trong khi vẫn giữ đặc tính dòng điện không đổi trong mạch.
Dòng điện qua đèn LED được xác định bởi công thức:
ILED = Io * β / (β + 1)
Io: Giá trị dòng điện liên quan đến biểu đồ 1 (biểu đồ ILED – RX).
β: Hệ số khuếch đại của transistor.
Khi β lớn, công thức trên có thể được xấp xỉ: ILED ≈ Io
(Điện trở phân cực cơ sở RB thường được chọn khoảng 5k Ohm).
Khả năng chịu điện áp cao nhất của VDD được quyết định bởi điện áp chịu đựng VCEO của
transistor NPN. Thông thường, VCEO cần đạt 25V hoặc cao hơn.
Trình điều khiển tín hiệu liên kết và kết nối
Vì khoảng cách giữa các chip có thể khá xa, các đầu ra DOUT và DCLKO được thiết kế dưới
dạng mạch đẩy-kéo (push-pull) với khả năng điều khiển mạnh mẽ. Qua thử nghiệm, tín hiệu này
có thể điều khiển dây tín hiệu dài 6 mét khi xung nhịp đạt 2MHz
Để ngăn chặn hiện tượng phản xạ tín hiệu (signal echo), thông thường cần nối tiếp một điện trở
50Ω tại các đầu ra DOUT và DCLKO trước khi truyền đến chip kế tiếp.
Thiết kế mạch điều khiển và tham chiếu phần mềm
Bằng cách thiết lập CMODE, bộ đếm mức xám của LPD6803 có thể sử dụng DCLK làm xung
nhịp (CMODE = 0) hoặc sử dụng tín hiệu đầu ra của bộ dao động tích hợp 1.2MHz (độ sai lệch
±15%) làm xung nhịp (CMODE = 1 hoặc không kết nối).
Chế độ đầu tiên (CMODE = 0) thường được sử dụng trong các hệ thống điều khiển chi
phí cao dựa trên CPLD/FPGA.
Chế độ thứ hai (CMODE = 1) thường được áp dụng trong các hệ thống điều khiển chi phí thấp dựa trên MCU.
Ở chế độ CMODE = 1, MCU có thể ghi dữ liệu hiển thị vào chip thông qua giao diện SPI hoặc
hai chân GPIO. Sau đó, mỗi chip tự động tạo tín hiệu điều khiển đầu ra với chu kỳ nhiệm vụ
(duty cycle) tương ứng theo giá trị mức xám đầu vào.
Sau khi truyền dữ liệu, MCU có thể xử lý các tác vụ khác. Trong thời gian này, mỗi chip
LPD6803 sẽ tiếp tục giữ nguyên chu kỳ nhiệm vụ đầu ra ban đầu (chế độ FREE-RUN) cho đến
khi MCU gửi dữ liệu cập nhật tiếp theo. Lưu ý:
Sau khi tất cả dữ liệu được truyền vào chip tại cạnh lên của DCLK, có thể cần gửi thêm các xung DCLK (DIN = 0).
Về nguyên tắc, số lượng xung bổ sung phải tương ứng với số lượng đèn LED trong chuỗi
liên kết để mạch PLL tích hợp trong các chip sau hoạt động đúng.
-Để LPD6803 tạo ra nhiều mức xám hơn với ít dữ liệu hơn:
oKhi GMODE = 0/CMODE = 0, công nghệ SUPER-PWM tích hợp có thể chuyển
đổi dữ liệu 5 bit thành đầu ra xám 256 cấp độ không tuyến tính.
Chu kỳ mở tối thiểu là 1T, chu kỳ mở tối đa là 256T (T là chu kỳ xung nhịp mức xám).
oKhi GMODE = 1 hoặc không kết nối, đầu ra sẽ là 32 cấp độ xám tuyến tính.
Chu kỳ mở tối thiểu là 4T, chu kỳ mở tối đa là 128T.
Bảng này biểu thị chu kỳ nhiệm vụ (output duty cycle) tương ứng với 32 mức xám khi GMODE=0.
Dữ liệu trong bảng được điều chỉnh dựa trên đường cong gamma với giá trị GAMMA=1.8.
kích thước gói SOP16 (SOP - Small Outline Package)