在LED设计中使用移位寄存器缩小尺寸并降低BOM

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。