WS2801
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應用手冊
3通道帶PWM輸出的可編程恒定電流LED驅動器
相關標題
. 內置LDO
. WS2801特性，應用及功能描述
. WS2801集成電路內部功能模塊圖
. 典型時序圖
. 描述
. 高輸入電壓下的應用
. 恒定電流驅動模式
. 恒定電壓驅動模式
. 大功率高亮度LED的驅動
. 采用外部開關實現高壓恒流驅動LED串
. 灰度數據字格式
. 灰度刷新頻率
. WS2801的接力連接與應用
. 典型應用電路一
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WS2801
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. 典型應用電路二（使用外部開關實現高壓恒流驅動LED串）
. 典型應用電路三（使用外部開關實現恒壓驅動大功率LED串）
. 特征. 應用范圍
. 支持恒流和恒壓兩種驅動模式
. 可編程LED恒定驅動電流
. 寬范圍恒定電流輸出：2~200mA
. 每個輸出驅動通道都內建PWM灰度控制電路，支持free-run，非常適
合低成本控制方案
. 具有PWM調光free run 能力（采用內部振蕩器（1.2MHz）作為調光時
鐘時，刷新頻率約為2.5KHz）
. 內建時鐘數據再生電路來輸出輸入的數據和時鐘信號，非常適合級聯
的應用。
. 輸出極性反轉功能
. **輸入信號時鐘頻率為25MHz
. 電源電壓為3.3~5.5V
. LED 裝飾照明系統
. 室內/外信息，視頻顯示系統
. PWM信號生成器
. LCD TV LED RGB背光控制
. 描述
WS2801是一個恒定電流LED驅動器，它主要為室內/外LED顯示屏，和裝飾性LED照明系統而設計，非常適合用于需要接力串接的
LED照明系統，WS2801擁有3個獨立的輸出驅動通道，每個通道均能實現獨立的256級PWM灰度控制，可在不改變LED發光色彩
的條件下實現256級LED灰度控制，并能輸出高達200mA的恒定LED驅動電流，WS2801內部包含串聯移位寄存器，數據鎖存器，
輸出寄存器，帶隙基準電壓源，內部振蕩器和可編程恒定電流驅動器。
從SDI數據輸入的串行數據在CKI口時鐘信號的上升沿被讀入到芯片內部的數據移位寄存器中，輸入的時鐘信號和LED灰度控制信
號在芯片內部經過時鐘數據再生電路整形后在CKO和SDO端輸出，以使芯片能夠接力串接工作。當POL=“0”時，輸出極性反轉，
WS2801工作如同一個PWM控制器，能夠驅動外接的開關或者電路驅動高亮度的LED，并實現大功率LED的256級灰度控制。
WS2801的2-線傳輸控制方法由世芯微電子專門為可級聯的LED照明裝飾系統所設計，具有速度快，可靠性高，灰度數據同步刷新
等特點，能夠**限度的降低系統成本，非常適合用于低成本的LED裝飾照明系統。
引腳圖：
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Fig1.a SOP-14 package Fig1.b DIP-14 package
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. WS2801集成電路內部功能模塊圖
Fig1, WS2801內部功能模塊圖
工作功能描述
WS2801內部包含串聯移位寄存器，數據鎖存器，輸出寄存器，帶隙基準電壓源，內部振蕩器和可編程恒定電流驅動器。
WS2801在輸入時鐘的上升沿采樣串行數據輸入口SDI的數據信號，并將其存儲到其內部的移位寄存器當中。當WS2801在連續1ms
內沒有探測到時鐘CKI信號的存在，WS2801將鎖存先前采樣的灰度數據至數據鎖存器當中，并同時刷新內部的狀態寄存器，準備
下次數據傳輸。WS2801，內部的可編程恒定電流驅動器能夠以恒定電流和恒定電壓模式驅動外部的LED串，通過外圍電路的擴展，
這些驅動器能夠在高輸入電壓下以恒定電壓或者電流模式驅動LED串。
時鐘數據自動對齊電路能夠將內部的數據和時鐘自動對齊，內部的推挽輸出級具有很強的驅動能力，以滿足其級聯應用的需要。
高輸入電壓應用
WS2801的工作電源電壓范圍為3.3~5.5V，當輸出電源電壓高于5.5V時，齊納二極管D0可用于鉗制電源電壓來生成
WS2801的電源，如下圖。
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Fig 2, 當輸入電壓高于6V
時候，WS2801的電源設置
在WS2801正常工作條
件下，芯片消耗約1.5mA的
電流，限流電阻RS中流過
的電流至少應該為2801消
耗電流的2倍約為3mA，以
保證WS2801的正常工作。
如果輸入的電源電壓為
12V，那么RS=2K可以滿
足該應用。在WS2801的電
源上必須接一個到地的電容
C0以濾除電源上的噪聲，
C0=10uF滿足大多數的應用，在畫PCB板時，C0應盡量靠近WS2801的VCC pin腳。
當信號傳輸頻率高于2MHz時，**在C0處并聯一個約300nF的陶瓷電容，以使信號的傳輸更穩定。
恒定電流驅動模式
在WS2801中采用了一個高性能的運算放大器來控制晶體管M0產生一個恒定電流，以此恒定電流來驅動芯片外接的LED串。
各驅動通道的輸出電流均可由外接的電流反饋電阻來獨立編程設定，如下圖，XFB為R/G/BFB，
Fig3, 恒定電流驅動模式的電路
各輸出通道的輸出電流可以根據以
下方程來設定:
---------------------------------------------------
------------------------- (1)
其中，VREF=0.75V，為設置輸出電流
的基準電壓，RXFB為R/G/BFB腳上所
連接的電流反饋電阻，例如，如果驅動
LED所需的電流為20mA，則
RXFB=39Ω。
為了保證恒定電流驅動器的正常工
作，R/G/BOUT pin的電壓在正常工作
時應該設置在1~1.5V之間，這樣可以
保持在整個工作范圍內都能夠輸出一個
高精度的驅動電流。如果R/G/BOUT 的
電壓過低，會導致內部驅動電路工作不
正常，不能夠輸出驅動所需要的電流，如果R/G/BOUT的電壓過高，會導致有過多的功率消耗在WS2801芯片上，使電路工作的
穩定性降低。
恒定電壓驅動模式
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XFB
REF
XOUT R
I = V
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WS2801是一個使用非常靈活的LED驅動芯片。它不僅能夠為用戶提供恒定電流驅動模式，也能提供恒定電壓驅動模式，在該
模式下兼容ZQL9712，在恒定電壓驅動模式下（POL=“HIGH”或者懸空），WS2801的驅動輸出電壓高大50mA。應用時，只需
要將R/G/BFB pin腳直接與GND短接，WS2801便能工作在恒定電壓驅動模式下。如下圖。
Fig4, 恒定電壓驅動模式電路示意圖
在恒定電壓驅動模式下，LED的驅
動電流可以通過調整RL的阻值來設定，
RL可以根據下面的方程來推算得到。
---------------------------------------------------------------- (2)
其中RL是電流設定電阻，VDD是LED串的電源，VLED是LED串工作時的正向導通壓降，VOUT是驅動輸出的飽和壓降，大概在
0.1~0.2V，ILED是LED工作的工作電流，通常ILED≤20mA.
大功率高亮度的LED驅動
WS2801可以利
用外接的開關，在恒
定電壓驅動模式下驅
動高亮LED，同時實
現高亮LED的256級
灰度控制。當
POL=“LOW”時候，
WS2801的輸出極性
反轉，此時WS2801
工作如同一個PWM控
制器，其產生的PWM
控制信號可用于控制
外部的大功率LED恒
流驅動器或者NPN
BJT開關晶體管以驅
動LED，如下圖。
Fig 5, 利用外接的開關
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LED
DD LED OUT
L I
R = V -V -V
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實現對高亮LED的恒定電壓驅動
該模式主要應用于高輸入電壓，高LED驅動電流（ILED>300mA），其工作原理是利用外接的NPN晶體管開關來實現對LED的
PWM灰度控制，流過LED的電流可由外接的限流電阻RL來控制，RL可由下面的方程 推算得到。
-------------------------------------------------------------
(2)
其中，ILED為驅動該大功率LED所需要的電流，
VLED為LED工作時的正向導通壓降，NPN管工作于飽和區，VCE是NPN的飽和壓降，大致為VCE=0.5~0.8V,具體數值可由該晶體管
的規格書查得，基極電阻RB=2~5K.
采用外部開關實現高壓恒流驅動LED串
WS2801可以利用外接的開關在高電源電壓輸入的情況下以極低的成本實現LED的串聯驅動，在該模式下，POL=‘HIGH’
或者懸空，如下圖
Fig6, 利用外部開關實現LED
的恒定電流驅動
該模式可以用于在高輸入電壓
模式下驅動LED串，此時
NPN管工作于線性區，**的
應用電壓取決于外接的NPN三
極管的耐壓，從三極管集電極
流出的電流可以通過下面的方
程計算：
--------------------------------------------------------------- (4)
IXOUT為驅動LED所需要的電流。
從三極管基極流出的電流為：
---------------------------------------------------------------
(5)
在正常工作條件下，為了避免過多的功率消耗在WS2801中，導致2801工作不穩定，同時也為了提高整個LED 驅動器的效率
R/G/BOUT pin腳的電壓應該在1V左右。基極電阻RB的值可由下式計算得到：
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LED
DD LED CE
L I
R = V -V -V
β＋1
β
NPNC XOUT I = I
1
1
NPNB XOUTβ＋ I =I
NPNB
DD XOUT
B I
R =V -V
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---------------------------------------------------------------------- (6)
灰度數據字格式
當WS2801在時鐘PIN上保持500us的低電平時，IC進行復位，此時IC上的灰度數據傳輸將被鎖定，并且為下一個灰度數
據傳輸作準備。當IC接收到一個完整的24位數后，從第25個數據開始的數據傳輸給第二個IC，傳輸時序圖如下Fig7。
一個灰度控制數據幀由3個灰度數據字構成，每個數據字由8bit灰度數據位組成，總共24bit。8bit的灰度數據可以很輕松的
實現256級的LED灰度控制。
在數據的傳輸過程中，首先被讀入到芯片數據幀是ROUT通道的MSB，**讀取的數據是BOUT通道的LSB。
各輸出通道的LED驅動電流占空比可由下式計算得到：
----- (7)
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[ ] [ ] [ ] [ ] [ ] [ ] [ ] [ ]
256
L 7 * 27 L 6 * 26 L 5 * 25 L 4 * 24 L 3 * 23 L 2 * 22 L 1 * 21 L 0
DXOUT
+ + + + + + +
=
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其中 L[x]=”0” or “1”, 是灰度數據控制字中的 R、G、B[x], x=0,1,2……7 。. 灰度數據“0000 0000”用于產生**為0的驅動電流占空
比，“1111 1111”用于產生255/256**輸出占空比。
Fig 7， WS2801的灰度數據格式及時序圖
WS2801的接力連接與應用
為了能夠將數據和時鐘能夠長距離傳送以滿足級聯應用的需要，WS2801集成了具有強驅動能力的推挽（push-pull）輸出級，該
輸出級具有低EMI特性。測試中，WS2801能夠在2MHz頻率下，將數據時鐘傳送到7米以上的距離。為了防止信號的反射，有必
要在信號輸入端串接一個電阻以實現控制的阻抗匹配，減少信號的反射，其阻值與傳輸線的高頻阻抗應該相等。
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May 2008
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