ZHCT907 March 2025 LP5024
摘要
LED在家电中应用十分广泛，用于实现指示、动画、照明和背光等功能。家电显示面板下方的电路板由LED驱动电路和LED灯阵组成，由于LED灯数较多，一般采用分立式矩阵驱动方案，其成本低廉，因此应用较为广泛。但是此种驱动方案也有诸多弊端，比如占用板面积大、驱动效果差等，因此本文提议用LP5024去替代分立式的矩阵驱动方案。
本文首先介绍了家电中常用的LED驱动方案，然后对分立式矩阵驱动方案和LP5024的集成式直驱方案进行对比，最后研究了LP5024在长距离通信时面临的挑战和解决方案，从而为其他设计者提供借鉴。
1. 家电中常用的LED驱动方案
LED在家电中广泛应用，不仅可以提高产品的可视性和美观度，还可以实现人机互动等智能化的功能，提升产品的使用体验和附加值。LED 的四个主要功能包括指示、动画、照明和背光[1]。
- LED指示：LED
指示在家电中应用最为广泛，指示灯通过打开或关闭即可指示不同状态，以电视机为例，上电时指示灯闪烁，待机时指示灯常显，有操作指令时指示灯闪烁。这种应用的驱动电路最容易设计，如图1所示。
图 1 LED指示的驱动方案 - LED动画：人眼具有视觉暂留特性，在LED亮度和色彩快速变化的时候，人眼反应有延迟，因此就达到动画的效果，比如呼吸、闪烁、变色和追逐等。比如冰箱、空调和洗衣机的显示面板，通过LED动画可以实现比较酷炫的人机互动。这种应用的驱动方案一般需要恒流控制，常用专用的LED驱动芯片，比如LP5024和LP5868等，如图2和图3所示。图2为直驱方案[2]，比较适合驱动电流大、灯数少的应用场景。图3为矩阵方案[3]，比较适合驱动电流小、灯数多的应用场景。
图 2 LP5024驱动方案
图 3 LP5864驱动方案 - LED照明：一般使用大功率 LED 或 LED
灯串来照亮空间，LED照明在冰箱中最为常用，比如冰箱的面光源，在打开冰箱门时照亮整个储藏空间。这种应用的驱动方案比较简单，如图4所示，通过周期性地控制PMOS的开通关断即可控制面光源的亮度，从而实现渐亮和渐暗的功能。
图 4 LED照明驱动方案 - LED背光：常用于LCD显示应用，比如电视、冰箱大屏等。这种应用的驱动方案一般用开关型驱动芯片实现，比如TPS61165，如图5所示[4]。
图 5 LED背光驱动方案
2. 壁挂式空调中的LED驱动方案对比
壁挂式空调的电控系统一般包括主控板、显示板和变频板。LED灯阵一般在显示板上，由于壁挂式空调只需要显示温度、风速、模式等简单信息，因此LED的数量一般不会超过21个，每个LED的平均电流一般不会超过20mA。图6为壁挂式空调中常用的分立式矩阵驱动方案，MCU在主控板上，MCU控制MOS、SN74HC595和ULN2003去驱动LED。这是一种典型的分立式矩阵驱动方案，3个MOS作为行管，ULN2003作为列管以提供较大的驱动能力，SN74HC595可以节省MCU的IO口。虽然此种驱动方案在业界广泛应用，但是其需要9条线缆，因此不论是走线复杂度还是线材成本都是其不可忽视的劣势。
图 6 壁挂式空调中的LED分立驱动方案考虑到分立驱动方案的诸多缺点，我们推荐用LP5024作为其替代，如图7所示。主控板和显示板之间的线缆数量由9根减少到4根，设计更加简洁实用。表1为两种驱动方案的对比，可以发现集成驱动方案是有压倒性优势的。值得强调的是升级难易度这一点，随着空调的功能越来越多样化，空调显示板需要指示的信息也越来越多，因此LED的数量也不断增加。如果采用分立驱动方案，当前设计最多支持的灯数为3*7=21颗，如果后续要升级到24颗，那么就必须增加一个MOS，组成4*7=28颗的方案，这样就导致主控板和显示板之间的线缆必须增加一条，这样就需要对主控板的硬件设计做改动。但是集成驱动方案就不同了，如果后续要升级到24颗，只需要改动显示板在LP5024的空闲通道加上LED即可，因此可以复用之前的主控板。如果后续要升级到36颗， 只需要把LP5024升级为LP5036即可，主控板和线缆同样可以复用。
| 对比项 | 分立驱动方案 | 集成驱动方案 |
|---|---|---|
| 占用板面积 |
SN74HC595(7.8mm*10.2mm) ULN2003(7.8mm*10.2mm) MOS(2mm*2mm*3) |
LP5024(4mm*4mm) |
| 鬼影 | 矩阵方案，有鬼影 | 直驱方案，无鬼影 |
| LED最大电流 | 取决于行管和限流电阻 | 35mA |
| 线缆数量 | 9 | 4 |
| 方案整体成本（包括器件、线材、PCB） | 低 | 更低 |
| 单点独立调光 | 不支持 | 支持 |
| RGB驱动 | 不支持 | 支持 |
| EMC | 矩阵扫描驱动，EMC差 | 支持模拟调光，EMC好 |
| Layout | 矩阵方案，走线复杂 | 直驱方案，走线简单 |
| 升级难易度 | 复杂 | 简单 |
图 7 壁挂式空调中的LED集成驱动方案3. LP5024应用注意事项
LP5024的通信方式为I2C，表2为I2C常用的三种工作模式及其关键指标[5]。LP5024最高可以支持400kHz的时钟频率。表3为LP5024对I2C电平的要求，高电平不能低于1.4V，低电平不能高于0.4V。由于主控板到显示板的线缆比较长，寄生参数影响较大，需要实测I2C波形以判断相关时序和电平能否满足I2C标准。基于图8的测试环境对I2C波形进行测量，示波器带宽选择150MHz，表4为不同线缆长度下I2C的波形对比，显然线缆长度越长，波形的上升沿越缓慢，SCL和SDA之间的干扰越严重。虽然线缆长度为1m时通信仍然可以成功，但是需要确认其是否能满足I2C标准，以保证通信的稳定性和可靠性。
| Standard Mode | Fast Mode | Fast Mode Plus | |
|---|---|---|---|
| fSLOCK MAX | 100 kHZ | 400 kHZ | 1,000 kHZ |
| CBUS MAX | 400 pF | 400 pF | 500 pF |
| tRISE MAX | 1,000 ns | 300 ns | 120 ns |
| LOGIC INPUTS (EN, SCL, SDA, ADDRx) | ||||
|---|---|---|---|---|
| VIL | Low level input voltage | 0.4 | V | |
| VIH | High level input voltage | 1.4 | V | |
图 8 LP5024
I2C波形测试环境| 线缆长度=1m | 线缆长度=0.2m | |
| f=400kHz |
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| f=100kHz |
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| f=10kHz |
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以100kHz为例，在SDA下降沿，SCL会产生向下的尖峰，反之亦然。这是由SCL线缆和SDA线缆之间的耦合导致的。当线缆长度为1m时，SCL下冲的最低值为0.92V，这比表3中的1.4V最小值要小，有可能误判为低电平，因此不满足I2C标准。当线缆长度为0.2m时，SCL下冲的最低值为1.84V，满足I2C标准。并且，根据LP5024规格书，SCL和SDA的上升沿和下降沿都不允许超过300ns，实测发现线长1m和0.2都是符合要求的。
| 线缆长度=1m | 线缆长度=0.2m | |
| 干扰 |
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| SCL上升沿 |
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| SCL下降沿 |
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| SDA上升沿 |
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| SDA下降沿 |
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因此，在实际应用中，如果线缆较长，开发者必须对I2C波形进行测量，以判断通信失败的风险。如果确实出现了I2C的上升沿不满足要求或者通信失败，则可以适当减小I2C的上拉电阻。如果减小上拉电阻仍不能解决，则可以增加一个I2C buffer[5]，在此不做详述。
4. 小结
本文对比了分立式矩阵驱动方案和LP5024的集成式直驱方案，发现LP5024方案具有占用板面积小、驱动效果好、成本低、升级方便等优势，非常适合壁挂式空调的显示面板应用。针对壁挂式空调中主控板和显示板线缆距离较长的特点，本文研究了通信距离对I2C通信质量的影响并对开发者提供了建议。
参考文献
- 常见 LED 功能和 LED 驱动器设计注意事项. https://www.ti.com.cn/cn/lit/wp/zhcy135/zhcy135.pdf
- LP5024 Datasheet. https://www.ti.com/lit/ds/symlink/lp5024.pdf
- LP5864 Datasheet. https://www.ti.com/lit/ds/symlink/lp5864.pdf
- TPS61165 Datasheet. https://www.ti.com/lit/ds/symlink/tps61165.pdf
- Why, When, and How to use I2C Buffers. https://www.ti.com/lit/an/scpa054/scpa054.pdf