在LED设计中使用移位寄存器缩小尺寸并降低BOM

发布时间:2015-3-10 11:01    发布者:designapp
关键词: 移位寄存器 , LED , 开漏输出
在使用LED的设计中,移位寄存器可能是十分有用的器件。例如,假设系统包括七段显示器、单个指示器或LED阵列组成网格或面板,可以使用标准8位移位寄存器,以便允许低引脚数微控制器驱动多个LED。
图1给出一个例子。单个5V 74HC595移位寄存器集成串行输入和串行或并行输出,为微控制器提供I/O扩展。串行数据施加至74HC595的串行输入,并通过输入时钟获取时钟信息。74HC595载入后,输出时钟将数据施加至存储寄存器和并行与串行输出。74HC595控制的外部驱动器随后便激活相应的LED。


图1. 8位移位寄存器7HC595驱动多个LED


将7HC595用于I/O扩展意味着它只需三个MCU控制引脚便可驱动多达八个LED。降低控制引脚数使得使用低引脚数的MCU成为可能,最终实现尺寸更小、性价比更高的设计。
另外,由于7HC595集成串行输出,因此可级联多个器件。图2为布局图。



图2. 级联74HC595器件以驱动更多LED


这样,级联之后,同样三个微控制器引脚可以用来控制多达16或24个LED,而非仅仅8个。移位寄存器的级联能力可降低设计所需的微控制器总数,有助于降低成本并缩小尺寸。
某些情况下,5 V、8位寄存器(比如75HC595)可用来直接驱动LED。当LED额定具有相对较低的电压和正向电流时,这样做可获得最佳效果。若LED工作电压高于6 V,或者要求正向电流超过70 mA,那么通常需要用到外部驱动器。

开漏输出
为移位寄存器加入开漏输出可构成单芯片解决方案,无需使用外部驱动器。这样可以大幅减少物料清单,因为每个移位寄存器输出都能直接驱动LED。
图3给出了这类器件——恩智浦的NPIC6C596A LED驱动器——的输出原理图,它结合了类似于74HC595的移位寄存器功能,具有高压(HV) MOSFET驱动器。


图3. 带开漏输出的移位寄存器输出原理图


图4显示使用NPIC6C596A代替74HC595。



图4. 带开漏输出的移位寄存器输出原理图


以NPIC6C596A代替74HC595后,无需使用外部驱动器,从而建立了更为紧凑且物料更少的设计。
NPIC6C器件具有33 V容压开漏输出。每个输出设计为可吸收100 mA电流,没有接地电流限制。所有输出可同时主动吸收100 mA。输出包括限流电路,将可吸收的电流最大值设为250 mA,每路输出还包括热保护。集成这些保护功能意味着相比74HC595,NPIC6C496A器件可用来驱动更多种类的LED,包括工作电压更高以及具有更高正向电流的LED。




        
保护特性
图5显示NPIC6496A开漏输出的限流电路特性。该电路限制每个输出可以吸收的最大电流。漏极-源极电流随着漏极电压的增加而降低。它可以保护所驱动的输出和元器件。25 °C时,输出钳位通常在漏极-源极电流为250 mA时激活。


图6显示NPIC6C596A的开漏输出如何提供热保护。钳位电流与温度成反比。随着温度升高,输出电阻也会增加,从而限制漏极-源极电流,并防止输出以及它所驱动的元器件受损。25 °C时,输出通常将漏极-源极电流限制在120 mA。


图5. NPIC6C596A中的限流特性



图6. NPIC6C596A中的热保护


多种选项:
表1显示恩智浦提供的NPIC6C LED驱动器。NPIC6C596和NPIC6C596A均为8位解决方案,而NPIC6C4894是12位解决方案。所有这些器件都集成可用来级联的串行输出。数据在输入时钟的上升沿通过移位寄存器传播。使用NPIC6C595和NPIC6C4894时,相同的上升沿可用来将数据送至串行输出QS。NPIC6C596和NPIC6C596A将串行输出延迟至输入时钟的下一个下降沿执行。延迟会延长数据保持时间,改善时序裕量并使多个移位寄存器的级联变得简单。
可在4.5和5.5 V范围内使用NPIC6C596和NPIC6C4894,以便让这些器件适用于5.0 V控制逻辑接口。可在2.3至5.5 V范围内使用NPIC6C596A,以便它能用于5.0、3.3和2.5 V控制逻辑接口。所有NPIC6C器件均在-40至+125 °C范围内工作,且输入时钟频率至少为10 MHz。
表1. 恩智浦NPIC6C LED驱动器





NPIC6C LED驱动器采用业界标准SO和TSSOP封装,以及节省空间的DQFN无引脚封装,相比TSSOP封装最高减少76%的面积,相比QFN最高减少40%面积。DQFN封装还集成散热片,是使用更高电流的空间受限型应用首选封装。另外还提供汽车级版本。
表2. NPIC6C LED驱动器封装选项






结论
当设计中含有LED时,采用移位寄存器使得尺寸更小、成本更低的微控制器应用成为可能。包括恩智浦在内的很多供应商都提供标准8位移位寄存器(比如75HC595)。使用集成开漏输出的移位寄存器(比如恩智浦NPIC6C系列)则可在此基础上更进一步,无需使用外部LED驱动器。



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