Использование регистров сдвига упрощает схему управления светодиодами

Журнал РАДИОЛОЦМАН, июнь 2014

Michael Lyons, NXP Semiconductor

В схемах, содержащих светодиоды, очень полезными могут оказаться сдвиговые регистры. С их помощью, например, микроконтроллер с ограниченным количеством выводов способен управлять дисплеем из нескольких семисегментных индикаторов.

На Рисунке 1 показан пример схемы на одном сдвиговом регистре 74HC595. Регистр питается напряжением 5 В, имеет последовательные входы и последовательные или параллельные выходы, и используется для расширения количества линий ввода/вывода микроконтроллера. Данные побитно поступают на последовательный вход 74HC595 и перемещаются по регистру под действием импульсов CLK_Вход. По завершении загрузки 74HC595 импульс CLK_Выход переписывает содержимое регистра сдвига в регистр хранения, и на параллельных выходах появляется байт данных. Затем управляемые регистром 74HC595 внешние драйверы активируют соответствующие светодиоды.

Рисунок 1.	8-битный регистр 74HC595, управляющий группой светодиодов.

Использование 7HC595 для расширения количества линий ввода/вывода позволяет с помощью трех выводов микроконтроллера управлять восемью светодиодами. Сокращение числа линий управления дает возможность использовать микроконтроллер с меньшим количеством выводов и, соответственно, снизить размеры и стоимость схемы.

Наличие последовательных выходов у регистров 7HC595 позволяет соединять несколько устройств каскадно. Соответствующая схема приведена на Рисунке 2.

Рисунок 2.	Каскадное включение микросхем 74HC595 для увеличения количества управляемых светодиодов.

Теперь, благодаря, каскадному включению, те же три вывода микроконтроллера могут управлять не восемью, а 16 или 24 светодиодами. Возможность каскадирования регистров сдвига может сократить общее количество микроконтроллеров и удешевить всю систему.

В некоторых случаях подобные 75HC595 8-битные регистры с питанием 5 В могут использоваться для прямого управления светодиодами. Лучше всего такая схема работает, когда светодиоды рассчитаны на сравнительно небольшие напряжения и токи. Диодам, работающим при напряжении свыше 6 В, или же требующим прямого тока более 70 мА, обычно нужен внешний драйвер.

Выходы с открытым стоком

Добавив к сдвиговому регистру выходы с открытым стоком, его можно превратить в законченное однокристальное решение, не нуждающееся во внешних драйверах. Каждый выход такого регистра управляет светодиодами непосредственно, экономя значительное количество компонентов.

На Рисунке 3 показана схема выходного каскада одного из таких устройств, – выпускаемого компанией NXP драйвера светодиодов NPIC6C596A, функционально аналогичного регистру 74HC595, дополненному высоковольтными драйверами MOSFET.

Рисунок 3.	Схема выходного каскада регистра сдвига NPIC6C596A.

Замена 74HC595 микросхемой NPIC6C596A позволяет отказаться от использования внешних драйверов и сделать конструкцию более простой и компактной (Рисунок 4).

Рисунок 4.	NPIC6C596A не нуждается во внешних драйверах.

Микросхемы серии NPIC6C имеют выходы с открытым стоком, рассчитанные на напряжение до 33 В. Каждый выход может принимать втекающий ток до 100 мА без ограничения суммарного тока общего вывода. Выходы снабжены цепями ограничения тока с порогом 250 мА, а также цепями температурной защиты. Такая совокупность средств защиты намного расширяет сферу использования NPIC6C496A по сравнению с регистрами 74HC595, позволяя управлять светодиодами с более высокими напряжениями и бóльшими прямыми токами.

Защитные функции

На Рисунке 5 показаны результаты действия ограничителя токов открытых стоках микросхемы NPIC6C596A. Эта схема ограничивает втекающий ток каждого выхода. При увеличении напряжения на стоке ток стока уменьшается. При 25 °C типовой ток срабатывания защиты равен 250 мА.

Рисунок 5.	Действие ограничителя тока микросхемы NPIC6C596A.

Рисунок 6 иллюстрирует работу схемы тепловой защиты выходов с открытым стоком микросхемы NPIC6C596A. Ток, при котором срабатывает защита, обратно пропорционален температуре. С ростом температуры увеличивается выходное сопротивление, ограничивая ток стока и защищая от повреждения как сам выход, так и подключенные к нему компоненты. При 25 °C типовой порог ограничения втекающего тока стока равен 120 мА.

Рисунок 6.	Защита микросхемы NPIC6C596A от тепловой перегрузки.

Варианты регистров семейства NPIC6C

В Таблице 1 приведены основные характеристики светодиодных драйверов семейства NPIC6C, предлагаемых в настоящее время компанией NXP. Регистры NPIC6C596 и NPIC6C596A являются 8-битными, а длина NPIC6C4894 равна 12 бит. Все приборы имеют предназначенный для каскадирования последовательный выход. Данные перемещаются по регистру сдвига передними фронтами импульсов CLK_Вход. В регистрах NPIC6C595 и NPIC6C4894 данные на последовательных выходах QS появляются по тому же переднему фронту синхроимпульса, который управляет их сдвигом. Регистры NPIC6C596 и NPIC6C596A задерживают данные на последовательном выходе до следующего спада импульса CLK_Вход. Эта задержка увеличивает время удержания данных, расширяя допустимые временные границы и упрощая каскадирование приборов.

NPIC6C596 и NPIC6C4894 могут использоваться в схемах с напряжением питания от 4.5 до 5.5 В. Диапазон рабочих напряжений микросхемы NPIC6C596A расширен до 2.3 … 5.5 В, что делает ее совместимой с логическими уровнями 5.0, 3.3, и 2.5 В. Все микросхемы семейства NPIC6C рассчитаны на работу в диапазоне температур от –40 до +125 °C при частоте тактирования не менее 10 МГц.

Таблица 2.	Варианты корпусов драйверов светодиодов NPIC6C.
Суффикс обозначения D PW EQ D PW Количество выводов 16 16 16 20 20   Корпус SOTI109-1 SOT403-1 SOT763-1 SOT163-1 SOT-360-1 Ширина (мм) 6.00 6.40 2.50 10.30 6.4 Длина (мм) 9.90 5.00 3.50 12.80 6.50 Высота (мм) 1.75 1.10 1.00 2.65 1.10 Расстояние между выводами (мм) 1.27 0.65 0.50 1.27 0.65

Драйверы светодиодов NPIC6C выпускаются как в стандартных корпусах SO и TSSOP, так и в миниатюрных корпусах DQFN, площадь которых на 76% меньше, чем у TSSOP, и на 40% меньше, чем у QFN (Таблица 2). Кроме того, корпуса DQFN снабжены теплоотводом, и могут использоваться в сильноточных приложениях с ограниченным пространством. Доступны также варианты, предназначенные для схем автомобильной электроники.

Заключение

Если в схеме должны быть светодиоды, сдвиговые регистры позволят использовать в ней более дешевые микропроцессоры с меньшим количеством выводов. Стандартные 8-битные регистры сдвига, аналогичные 75HC595, предлагаются многими поставщиками, включая компанию NXP. Регистры сдвига, оснащенные выходами с открытыми стоками, такие, как выпускаемые NXP микросхемы NPIC6C, стали еще одним шагом вперед, сделав возможным создание схем без внешних драйверов светодиодов.