PCA9958：24通道SPI串行总线63 mA/5.5 V恒流LED驱动器的深度解析

在LED驱动领域，NXP的PCA9958是一款极具特色的24通道SPI串行总线63 mA/5.5 V恒流LED驱动器。它专为调光和闪烁应用而优化，能驱动红/绿/蓝/琥珀（RGBA）LED，为各类LED显示和照明系统提供了强大的支持。下面，我们就来深入了解一下这款驱动器。

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一、产品概述

PCA9958采用4线串行总线控制，具备24个恒流LED输出通道。每个输出通道都有独立的8位分辨率（256级）PWM控制器，工作频率为31.25 kHz，占空比可在0% - 100%之间调节，能精确控制每个LED的亮度。此外，还有一个8位分辨率（256级）的组PWM控制器，固定频率为122 Hz，也可在15 Hz - 16.8秒之间调节频率，占空比可在0% - 99.6%之间调节，用于同时调节所有LED的亮度或使其闪烁。

该驱动器的供电电压范围为2.7 V - 5.5 V，恒流输出端允许最高5 V的LED电源。输出峰值电流可通过8位线性DAC在250 μA - 63.75 mA之间调节（当 $R_{EXT}=1 k Omega$ 时）。同时，它还具备渐变控制功能，可通过4线串行总线接口自动调节电流，无需MCU干预。此外，它还内置了开路、短路负载和过温检测电路，能有效保护设备。

二、产品特性与优势

（一）丰富的输出控制模式

每个输出通道都有多种可编程模式，包括关闭、全亮（无PWM控制）、按个体PWM控制器值调节亮度以及同时受个体和组PWM控制器控制。这种灵活性使得它能满足各种复杂的LED调光和闪烁需求。

（二）强大的渐变控制功能

所有通道都支持渐变控制，每个通道可分配到六个渐变控制组中的一个。每个组有四个独立寄存器，可控制电流上升和下降速率、步长时间、保持开启/关闭时间以及最终保持开启输出电流。有单触发模式（输出一次）和连续模式（重复输出）两种渐变操作模式可供选择，为LED的动态效果控制提供了更多可能性。

（三）高精度的输出电流

24个恒流输出通道可吸收高达63 mA的电流，且在关闭时能承受最高5.5 V的电压。输出电流通过外部电阻（ $R_{EXT}$ ）调节，绝对精度在60 mA输出电流时小于± 7.5%，在30 mA输出电流时小于± 9%，通道间差异最大为±5%，器件间差异最大为±7%，确保了LED亮度的一致性。

（四）完善的保护机制

内置开路、短路负载和过温检测电路，可通过4线串行总线读取相应寄存器中的错误信息。当内部结温超过允许范围时，热关断功能会保护设备，提高了系统的可靠性。

（五）高速的串行总线接口

采用4线读写串行总线，数据时钟频率最高可达10 MHz，能实现快速的数据传输和控制。

（六）其他特性

• 有源低电平输出使能输入引脚（OE）可控制所有LED输出闪烁，也可用于外部PWM调光，方便多个设备的同步控制。
• 内置8 MHz振荡器，无需外部组件，简化了电路设计。
• 内部上电复位功能，确保设备上电后能正常初始化。
• 低待机电流，降低了功耗。
• 工作温度范围广，PCA9958HN为 -40 °C - +85 °C，PCA9958HN/Q900为 -40 °C - +125 °C，适用于各种恶劣环境。
• 具有良好的ESD保护性能，符合相关标准。
• 采用HVQFN40可焊侧翼封装，便于焊接和安装。

三、应用领域

PCA9958适用于多种LED应用场景，包括RGB或RGBA LED驱动器、LED状态信息显示、LED显示屏、LCD背光源、手机或手持设备的键盘背光源以及呼吸灯的渐亮渐灭控制等。

四、寄存器详解

（一）寄存器地址和数据格式

数据传输宽度为 $(16 × n)$ 位（ $n$ 为链中从设备的数量），MSB先传输。前7位是要访问的寄存器地址，第8位表示访问类型（读 = 1，写 = 0），后8位为数据。

（二）主要寄存器功能

• MODE1 - 模式寄存器1：主要用于控制设备的工作模式，如睡眠模式等。
• MODE2 - 模式寄存器2：包含过温、错误状态指示以及组控制模式（调光或闪烁）等信息。
• LEDOUT0 - LEDOUT5：用于控制每个LED驱动器的输出状态，可设置为关闭、全亮、按个体PWM控制或同时受个体和组PWM控制。
• GRPPWM：组占空比控制寄存器，用于全局亮度控制。
• GRPFREQ：组频率寄存器，用于编程全局闪烁周期。
• PWM0 - PWM23：个体亮度控制寄存器，通过8位分辨率（256级）控制每个LED的亮度。
• IREF0 - IREF23：LED输出电流值寄存器，反映LED0 - LED23的输出电流增益设置。
• 渐变控制相关寄存器：包括RAMP_RATE_GRP0 - RAMP_RATE_GRP5（斜坡速率控制寄存器）、STEP_TIME_GRP0 - STEP_TIME_GRP5（步长时间控制寄存器）、HOLD_CNTL_GRP0 - HOLD_CNTL_GRP5（保持开启和关闭控制寄存器）、IREF_GRP0 - IREF_GRP5（输出增益控制寄存器）、GRAD_MODE_SEL0 - GRAD_MODE_SEL2（渐变模式选择寄存器）、GRAD_GRP_SEL0 - GRAD_GRP_SEL11（渐变组选择寄存器）和GRAD_CNTL（渐变控制寄存器），用于实现LED的渐变控制功能。

五、SPI串行总线接口特性

PCA9958通过兼容SPI的4线串行接口进行通信，接口有三个输入和一个输出：串行时钟（SCLK）、有源低电平片选（CS）、串行数据输入（SDI）和串行数据输出（SDO）。CS必须为低电平才能将数据时钟输入设备，SDI在SCLK上升沿采样时必须稳定。

（一）SPI接口信号

• CS：有源低电平片选线，用于激活和访问SPI从设备。CS为高电平时，所有从设备不接受时钟信号或数据，输出SDO被拉低；CS为低电平时，数据可在主设备和所有从设备之间传输。
• SCLK：串行时钟由SPI主设备提供，决定数据传输速度，所有数据的接收和发送都与该时钟同步。
• SDI：串行数据输入在SCLK上升沿读入内部16位移位寄存器，CS上升沿时，输入数据被锁存到设备内部寄存器。
• SDO：串行数据输出，内部16位移位寄存器的数据通过该引脚串行移出。CS为低电平前，SDO被拉低，新数据在SCLK下降沿后出现在SDO引脚。

  （二）数据传输格式

  数据传输宽度为16位 × $n$ 位（ $n$ 为从设备数量），MSB先传输。前7位为寄存器地址，第8位指示访问类型（读或写），后8位为数据。

  （三）读写访问序列

• 写访问序列：从总线空闲状态开始，将CS拉低，以MSB优先的方式将 $16 × n$ 位数据移入第一个从设备，数据在SCLK上升沿移位且必须稳定。每个16位数据的第8位必须为0，表示写操作。最后将SCLK拉低，CS拉高，数据被锁存到设备寄存器。
• 读访问序列：从总线空闲状态开始，主设备发送第一个三个2字节读指令，CS下降沿时开始在SDO引脚移出读数据，主设备再发送第二个三个2字节“无操作”（NOP）操作，在MISO引脚按顺序读取请求的数据。一个读周期包括两次CS的置位和复位。
• 重叠读写访问序列：读周期的第二阶段可用于发送写数据或下一个读指令，提高了总线利用率和效率。

六、应用设计注意事项

（一）热考虑

由于PCA9958集成了24个线性电流源，热管理至关重要。LED正向电压不匹配可能导致设备过热，因此建议对LED进行分档，以最小化LED正向电压变化，降低设备功耗。可通过计算设备的结温（ $T{j}$ ）来确保其在安全范围内，计算公式为 $T{j}=T{amb}+R{th(j-a)} × P{tot}$ ，其中 $T{amb}$ 为环境温度， $R{th(j-a)}$ 为结到环境的热阻， $P{tot}$ 为设备总功耗。

（二）OE引脚使用注意事项

OE引脚可作为同步信号，用于同时开关多个PCA9958设备，但在内部全局闪烁或调光模式被选择时，不要将其用作外部闪烁或调光控制信号，以免产生不确定的闪烁或调光模式。

（三）电源和复位

电源电压（ $V{DD}$ ）范围为2.7 V - 5.5 V，上电时内部上电复位将设备保持在复位状态，直到 $V{DD}$ 达到 $V{POR}$ 。复位时， $V{DD}$ 必须拉低至1 V以下并保持低电平超过20 μs。使用RESET引脚复位时，复位脉冲宽度最小为2.5 μs，释放RESET引脚后的最大等待时间为1.5 ms。

七、总结

PCA9958是一款功能强大、性能优越的LED驱动器，具有丰富的可编程功能、高精度的输出电流控制、完善的保护机制和高速的串行总线接口。它的渐变控制功能为LED的动态效果控制提供了更多可能性，适用于多种LED应用场景。在应用设计时，需要注意热管理、引脚使用和电源复位等问题，以确保系统的稳定可靠运行。电子工程师在设计LED驱动电路时，可以充分发挥PCA9958的优势，实现各种复杂的LED调光和闪烁效果。你在使用类似LED驱动器时遇到过哪些问题呢？欢迎在评论区分享你的经验和见解。