三通道高亮度LED驅動芯片的ASIC設計*

黃 偉，翟江輝，楊秋玉，康金星

（1.桂林電子科技大學，廣西 桂林541004；2.廣州金升陽科技有限公司，廣東 廣州510663；3.中國人民解放軍95853部隊，北京100076）

三通道高亮度LED驅動芯片的ASIC設計*

黃 偉1，翟江輝1，楊秋玉2，康金星3

（1.桂林電子科技大學，廣西 桂林541004；2.廣州金升陽科技有限公司，廣東 廣州510663；3.中國人民解放軍95853部隊，北京100076）

根據LED驅動芯片的應用場合和應用模式設計了一款脈沖式LED驅動芯片。該芯片自帶3路PWM驅動輸出，具有8位（256灰度等級）數據解析和2 048級對比度的顯示性能。同時，完成的芯片具有自動整形轉發技術，從而實現了芯片單線級聯的功能。在實際應用中芯片級聯個數僅受限刷屏技術要求，大大簡化了應用電路的復雜度。所設計的驅動芯片的版圖完全通過 dracula的DRC和LVS驗證。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。

高亮度LED；ASIC；解碼；ROM；PWM控制

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的發光灰度就可實現全彩效果的 LED燈光控制技術。這樣既可以大大地簡化整個LED應用系統的復雜度，又降低LED系統產品的成本，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內部集成數字接口、數據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該驅動芯片對LED的單獨灰度控制。同時，驅動芯片采用數據自動整形轉發技術。這樣在具體工程應用中可以將驅動芯片進行單線級聯，且級聯個數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數據，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出的視覺數據信號。

芯片可接收的單極性歸零碼數據形式如圖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 μs的矩形脈沖表示“1”，以占空比1/4、周期為0.5 μs的矩形脈沖表示“0”。同時在每幀數據的末尾有一個 24 μs長時間的低電平信號 RESET以表示一幀數據的結束。

圖1 輸入數據結構

根據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、解碼以及數據的轉發，最后產生PWM波形控制 R（紅）、G（綠）、B（藍）發光灰度的任務?？傮w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據，解碼模塊完成輸入數據的二進制碼元的恢復并送往下一個模塊進行數據鎖存。Gamma校正模塊將信號分析模塊輸出的數據通過系數 1.8的 Gamma視覺校正后輸出 11位寬度校正數據，最后由PWM產生器根據這11位校正數據產生相應的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。

圖2 LED驅動芯片總體設計框圖

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據中的“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，數據都是以高電平開始，低電平結束，每個數據位的開始時刻都有一個上升沿。其解碼原理如圖3所示。

圖3 解碼原理圖

在每幀數據流的最后有不小于 24 μs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信號在24 μs到來時將電路中的計數器和移位寄存器復位，以保證下一幀不會與上一幀數據發生錯亂現象。同時還可利用該信號作為Gamma矯正和PWM數據刷新的觸發信號以達到簡化電路設計的目的。

數據輸入端口接收完24位數據后即刻將后續數據轉發至下一顆芯片中。每位數據都由上升沿開始，可以用數據的上升沿啟動計數器。將計數器計數完24時的計數結果進行邏輯處理，可產生一個“0”→“1”跳變的高電平信號，用此高電平與輸入數據相與，即可在轉發端口處輸出第25位及25以后的輸入數據。

解碼模塊輸出的數據為24位的串行數據，而Gamma校正模塊中的輸入數據須為3個8位代表RGB信息的并行數據，故在設計Gamma校正模塊前須將解碼模塊中解出的數據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位數據通過系數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位數據經過系數1.8的Gamma校正后的相應輸出。本文采用數字查找表的方式設計Gamma校正，其原理框圖如圖4所示。數據檢測器檢測到數字信號后送往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 ROM中寄存的值轉化成相應的M bit輸出信號。

表1Gamma校正的相應數據

圖4 數字Gamma校正轉換原理圖

本文的驅動芯片內部集成了一個ROM模塊。由數據流經過解碼和信號處理后得出的8位并行數據經過Gamma校正后輸出相應的 11位數據都被存儲在這個ROM模塊中，最后將ROM模塊輸出的11位數據送往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個狀態時被點亮，在 2n-D個狀態下被熄滅，進而可以實現灰度級數值與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位數據通過系數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位相應數據可知，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。

圖5 PWM亮度控制示意圖

根據以上PWM控制原理的分析可知，PWM可分成三個部分：

(1)實現一個11位計數器計算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器計數到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據，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位數據與PWM計數器產生的計數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。若各位數相異或的結果都為0，則表示找到了11位數據在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位計數器由 2 047計數到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一個D觸發器，將D觸發器的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位數據在PWM模塊中相應的值時將被觸發置1的D觸發器進行清零操作，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為數據輸入端口，DO為芯片級聯端口，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。根據輸入數據的要求，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產生器模塊的計數時鐘clk_PWM選取500 kHz。

圖6 總體電路框圖

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?；旌戏抡鎇3]，仿真結果如圖7所示。

圖7 整個系統功能仿真圖

仿真的輸入數據流為：第一幀數據為 16個“1000 1000 1000 1000 1000 1000 1000 1110”，第二幀數據為

16個“1000 1110 1000 1110 1000 1110 1000 1110”，第一幀與第二幀之間相隔 200 μs的低電平。圖中下方為DI輸入的兩幀數據，上方DO為自動轉發出的兩幀數據。由于文中PWM模塊的計數時鐘clk_PWM選取500 kHz，則一個PWM的周期為4.096 ms。相隔 200 μs的刷新信號不足以產生一個完整PWM波形，故第一幀數據無法輸出PWM波形，圖中的RGB所表示的PWM波形是由第二幀數據產生的。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最優化，本文采用全手工布局布線的方式完成版圖設計。根據具體的邏輯，將相應的標準單元從單元庫中調出，排列成行，根據相鄰兩行的需要和布線的規則，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 μm×972.05 μm。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數據，且采用自動整形轉發技術，使得該芯片的級聯個數不受信號傳送限制，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，所接收的歸零碼經解碼后的8位數據通過系數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，有較好的商業價值。

[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.數字集成電路：電路、系統與設計：a design perspective[M].北京：電子工業出版社，2010.

[3]BRUNVAND E.數字VLSI芯片設計——使用Cadence和Synopsys CAD工具[M].北京：電子工業出版社，2009.

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

[5]豬飼國夫，本多中二.數字系統設計[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：電子工業出版社，2006.

[8]曾慶貴.集成電路版圖設計[M].北京：機械工業出版社，2008.

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）

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.

high brightness LED；ASIC；decode；ROM；PWM control

TN492

A

0258-7998(2015)04-0046-04

10.16157/j.issn.0258-7998.2015.04.009

2014-11-25)

黃偉（1981-），女，講師，主要研究方向：微電子設計、制作與封裝。

國家自然科學基金(51465012)；廣西區自然科學基金(2013-GXNSFAA019322)