LED灯（发光二极管）在消费电子领域应用广泛，如家电的人机交互显示界面、液晶显示器（LCD）背光源，以及游戏设备的RGB灯效等应用。这类应用场景通常需要以简洁的电路设计，实现对大量 LED 的动态控制，从而达成低功耗、低静态电流，以及缩小PCB板面积的目标 。 LED 矩阵驱动芯片可满足上述需求，不仅能够高效管理以行列矩阵排布的众多 LED，让整体系统在满足功能的同时，实现功耗、电路复杂度和空间占用上达到更好的平衡 。
矩阵式 LED 驱动芯片的工作原理
矩阵式 LED 驱动芯片的核心原理是采用分时复用（也称为扫描）技术，每次为一列通电，同时通过控制行来点亮特定的 LED。这种方法减少了驱动大量 LED 所需的引脚数量。在典型的矩阵配置中，LED 以共阴极行和共阳极列的形式排列成阵列。驱动芯片每次激活一列，并有选择地为行通电，以点亮该列内的特定 LED。通过这种分时复用技术，单个 LED 驱动芯片只需用到行引脚数与列引脚数之和，而非每个 LED 对应一个引脚，就能控制众多 LED灯珠，从而大幅减少控制引脚数量。例如，一个有 36 个 LED 组成的 4×9 矩阵，仅需 13 个控制引脚（4 个列引脚和 9 个行引脚），而非 36 个引脚，如图 1 所示。LED 矩阵驱动芯片的分时复用能力不仅降低了资源需求，而且快速循环扫描所有列和行时，会因人类的视觉暂留现象，营造出所有 LED 同时点亮的视觉效果 。
图1: 4x9 矩阵
与微控制器直接控制相比，使用矩阵驱动芯片进行 LED 控制，最大的优势是输出电流保持恒定，同时可以提升性能与可靠性。专用的矩阵式 LED 驱动芯片通过集成可编程寄存器功能，能实现稳定一致的性能，进而改善整个系统的表现。此外，它还能承担复杂的扫描时序控制任务，减轻微控制器的工作负荷，使硬件更简洁紧凑、更易于维护且更可靠耐用 。 矩阵式 LED 驱动芯片将多种功能集成到单芯片中，减少了对外部元件的需求，从而实现更紧凑的 PCB 布局，并降低系统总成本。芯片还配备可编程寄存器，可轻松实现丰富的动态灯光效果，比如 LED 矩阵的动画显示、色彩渐变、亮度调节以及鬼影抑制等。微控制器只需通过标准的 I2C 或 SPI 总线向特定寄存器写入指令，就能完成控制，这不仅降低了带宽需求，还简化了整体控制架构。此外，所有输出均支持相位延迟调节，以此错开开关动作，有效降低电磁干扰（EMI）。（如图 2 所示）
图2: LED矩阵驱动集成功能
尽管矩阵式 LED 驱动芯片集成了众多功能，能够高效管理大规模 LED 阵列，但在实际应用中也会带来一些挑战。例如，若对行列快速扫描的控制不当，可能会导致 LED 出现鬼影或闪烁现象；而大电流工作时，内置扫描管的阻抗使得 LED 驱动芯片内部产生明显的热量堆积。 矩阵 LED 驱动芯片的挑战：鬼影现象与热管理 鬼影是一种非预期的视觉干扰，表现为本不应点亮的 LED 出现微弱发光的情况。这一问题通常源于分时复用周期中寄生电容产生的残余电荷。随着 LED 开关频率的升高，出现这类干扰的可能性也会增加，尤其是不同正向电压特性的 LED混合使用时，问题更容易凸显。若缺乏有效的应对措施，这些干扰会影响显示画面的清晰度，在 RGB（红绿蓝）显示或低亮度应用场景中，这种影响更为明显（如图 3 所示）。
图3: LED矩阵鬼影现象
尽管矩阵式 LED 驱动芯片在架构上具有高效性，但在需要大电流或高密度矩阵的应用场景中，仍会面临一些显著挑战。其中，热管理是线性 LED 驱动芯片面临的一大关键问题，尤其是在大功率应用场景， 当大量 LED 以大电流驱动时，热量问题更为突出。过高的温度会导致芯片性能下降、使用寿命缩短，进而影响整个系统的可靠性。因此，大电流应用需要精心设计，往往需要借助外部列扫描开关来实现高效散热。 热问题的产生源于内部开关元件在源极或漏极大电流时产生的电阻损耗。由于封装散热条件的限制，LED 驱动芯片内部的场效应晶体管（FET）在功率耗散方面存在局限。因此，当大量大电流 LED 同时工作时，芯片的结温可能会超过安全工作范围。 IS31FL3758 混合型矩阵 LED 驱动芯片 络明芯近日推出的高性能、高灵活LED驱动芯片 IS31FL3758，通过创新的混合架构，同时解决了矩阵 LED 的鬼影问题与芯片封装的散热难题。（如图 4 所示）
图4: IS31FL3758 混合矩阵LED驱动
鬼影消除技术 IS31FL3758 LED 驱动芯片采用两种鬼影抑制技术，以减轻时分复用矩阵扫描中常见的非预期 LED 发光（鬼影）现象。该驱动芯片的每个恒流输出端（CSx）都集成了针对 LED 矩阵行的鬼影预防（GIP）电路。而阳极列（SWy）则需要搭配外部寄生电容放电电路。这两种消影机制协同作用，分别从阴极和阳极两方面着手解决鬼影问题。 行侧鬼影消除（CSx 引脚） 芯片在电流恒流输出端（CS1 至 CS40）集成了内部消影电路，可通过 F5h、F6h 和 F8h 寄存器进行配置。IS31FL3758 在其吸收行（"CS 上拉"）提供可编程上拉电压，并配备可调消影时序窗口，以主动消除寄生电流。通过 "DEN" 使能位开启内部电路后，该电路会在消隐期间将 CS 引脚瞬间偏置到预设电压，并结合扫描相位间的短暂非重叠延迟，在驱动下一行之前耗尽或中和残留的寄生电容电荷。内部电路在 PWM 关闭或非重叠消隐期间调整 CSx 引脚上的上拉电压，防止反偏电压影响 LED 可靠性。这种方法减少了残留电荷效应，并抑制了通道间的电容耦合，而这正是行侧鬼影的主要成因。 列侧鬼影消除（SWy 引脚） 针对阳极侧，建议在矩阵的列 SWy 线路上配置外部无源放电与钳位网络。典型的外部消影电路会在每条列线（即由外部 P 沟道场效应管驱动的 LED 阳极线 SWy）与参考节点（通常为接地端）之间接入泄放电阻，以便在该列关闭时为残留电荷提供放电通路。在每个 P 沟道场效应管的漏极与地之间接入电阻后，列寄生电容上的电荷可在消隐期间通过该通路释放，而非经 LED 泄漏至下一行激活的线路中。这种外部去鬼影电路包含两个部分组成：一是从每个 P 沟道场效应管漏极到地的下拉电阻（在 8.3kHz 扫描频率下，典型值为 7.5kΩ）；二是可选的齐纳二极管（典型值为 3V）或串联的快速二极管（如 1N4148），用于调整PMOS下拉电压，防止反偏电压影响LED的可靠性。通过这一设计，P 沟道场效应管关闭后，残留电压可被快速释放，从而最大限度减少通过相邻 LED 产生寄生导通的可能性。外部电阻的阻值需根据输出频率和寄生电容来选择，以在鬼影抑制效果与静态电流消耗之间取得平衡。 散热管理技术 IS31FL3758 通过混合架构解决散热问题，该架构将恒流源与扫描开关管功能分离。它集成了 40 个恒流管（每个通道最大可提供 60mA 电流）和 9 个栅极驱动控制，用于控制外部 P 沟道场效应管（PFET）实现矩阵列切换。芯片内置外部扫描 PFET 控制时序，驱动多达 9 个 PFET 开关管，支持最大 40×9（360 个 LED）的矩阵配置。凭借 40 个 60mA 的恒流通道，每个列 PFET 提供高达 2.4A 的电流。（如图 4 所示）将列扫描功能转移到外部 PFET 具有显著的散热优势。电流不再流经芯片内部，而是通过用户选择的外部 PFET 提供。这些外部 PFET 可选用低导通电阻（RDS (on)）的器件，并放置在 PCB 上散热效率高的区域（如大面积覆铜区和散热过孔处）。这种设计大幅降低了 IC 封装内的功耗，并使热量能够更有效地在PCB板上散发。下表 1 对比了 IS31FL3758 的外部 PFET 方案与内部开关设计在散热管理方面的差异：
PFET 驱动栅极电阻的功能
控制 LED 阵列中共阳极列的外部 PFET 晶体管，需要高边栅极驱动芯片。这些栅极驱动芯片能提供必要的电流和电压，快速为 PFET 的栅极充电和放电，同时抑制高 di/dt 和 dv/dt 瞬变。为优化开关性能，必须在每个 PFET 的栅极上串联一个小型栅极电阻。该电阻通过限制流入 PFET 栅极电容的浪涌电流，来调节栅极的充放电速度。这样做可以抑制栅极电压的振铃和振荡，有助于控制电磁干扰（EMI），并确保晶体管在导通和关断状态之间平稳切换。若没有合适的栅极电阻，PFET 可能会出现严重的信号振铃，进而导致 EMI 和鬼影效应。此外，PFET 的开关时可能不够干脆，在切换过程中可能无法完全导通或关断，而停留在线性（欧姆）区域，这会导致导通状态下的漏源电阻温度升高，造成不必要的功耗（发热）。栅极电阻的选择需要在开关速度和噪声之间权衡：电阻值较大时，会减慢栅极的切换速度（减少过冲和振铃，但增加开关损耗）；电阻值过小或为零时，开关速度更快，但可能引发更严重的振铃。 工程师通常会先选用 10Ω 至 100Ω 范围内的栅极电阻作为基准值，然后通过示波器观察栅极波形（检查上升 / 下降时间、过冲和振铃情况）进行微调，以满足系统在开关频率、寄生参数、散热和 EMI 方面的要求。这种细致的调整能使栅极驱动在高效开关 PFET 的同时，避免过度振铃或电磁噪声。（如图 5 所示）
图5:无栅极电阻VS有栅极电阻波形对比
应用优势与设计考量 IS31FL3758 采用的混合架构为矩阵 LED 方案带来了更优异的散热性能：芯片所承受的热应力被降至最低，不仅支持更高的单通道电流，还能延长设备的使用寿命；系统设计人员可灵活选择外部 PFET，根据电流需求、散热表现和成本限制量身定制方案；同时，PCB 布局可针对散热优化，且不会影响驱动芯片的信号完整性或时序性能。此外，集成式栅极驱动降低了设计复杂度。IS31FL3758 的栅极驱动电路能够耐受感性反冲、抑制瞬态干扰，并实现精准的开关时序，省去了对分立栅极驱动元件的需求。通过为每个 PFET 匹配微调的栅极电阻，可有效控制电磁干扰（EMI）与开关速度；而寄生 LC 振荡则可通过布局优化与电阻调校加以抑制。 IS31FL3758 支持 I2C 或 SPI 总线接口的灵活选择，兼顾配置与动态控制功能。其可编程寄存器涵盖 PWM 调节、电流缩放与诊断状态等功能，大幅降低了对微控制器的资源占用 ——这一点在高密度 LED 应用中至关重要，能为微控制器节省带宽，用于处理动画显示、传感器输入或系统监控等其他核心任务。 结论 IS31FL3758 采用混合架构，将大电流扫描开关管功能与恒流电流调节功能分离，从而解决了传统矩阵 LED 驱动芯片固有的局限性。这种配置通过使用外部 PFET 开关实现了更高的热效率 —— 这些外部 PFET 可选用低导通电阻（RDS (on)）的器件，并搭配充足的散热设计。此外，该驱动芯片集成 8 位 PWM 引擎和多级电流控制寄存器，能实现精准的亮度调节；其鬼影预防机制则确保在高速分时复用中稳定工作，避免出现可察觉的视觉干扰。可选的总线接口支持对电流和亮度设置的实时控制，同时最大限度降低了主微控制器的负荷。 文章来源：络明芯电子