MAX7219/MAX7221：8 位 LED 顯示驅(qū)動(dòng)芯片的深度解析

在電子設(shè)計(jì)領(lǐng)域，LED 顯示是一個(gè)常見且重要的應(yīng)用場(chǎng)景。而 MAX7219/MAX7221 作為兩款優(yōu)秀的串行接口 8 位 LED 顯示驅(qū)動(dòng)芯片，為我們的設(shè)計(jì)提供了諸多便利。今天，我們就來深入了解一下這兩款芯片。

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一、芯片概述

MAX7219/MAX7221 是緊湊的串行輸入/輸出共陰極顯示驅(qū)動(dòng)器，能夠?qū)?a target="_blank">微處理器（μP）與最多 8 位的 7 段數(shù)字 LED 顯示器、條形圖顯示器或 64 個(gè)獨(dú)立的 LED 相連接。芯片內(nèi)部集成了 BCD 碼 - B 解碼器、多路掃描電路、段和位驅(qū)動(dòng)器以及一個(gè) 8x8 的靜態(tài) RAM 來存儲(chǔ)每個(gè)數(shù)字。只需要一個(gè)外部電阻就能設(shè)置所有 LED 的段電流。

主要區(qū)別

MAX7219 和 MAX7221 大部分參數(shù)相同，但有兩個(gè)關(guān)鍵區(qū)別：MAX7221 的段驅(qū)動(dòng)器具有壓擺率限制功能，可降低電磁干擾（EMI）；其串行接口完全兼容 SPI。

二、芯片特性

1. 高速串行接口

具備 10MHz 的串行接口，能夠?qū)崿F(xiàn)快速的數(shù)據(jù)傳輸，滿足實(shí)時(shí)顯示的需求。

2. 靈活的控制方式

• 獨(dú)立 LED 段控制：可以對(duì)每個(gè) LED 段進(jìn)行單獨(dú)控制，實(shí)現(xiàn)多樣化的顯示效果。
• 解碼/無解碼數(shù)字選擇：用戶可以為每個(gè)數(shù)字選擇代碼 - B 解碼或無解碼模式，適應(yīng)不同的顯示需求。

  3. 低功耗設(shè)計(jì)

  具有 150μA 的低功耗關(guān)斷模式，并且在關(guān)斷模式下數(shù)據(jù)能夠保留，有效節(jié)省能源。

  4. 亮度控制

  支持?jǐn)?shù)字和模擬亮度控制，通過外部電阻或內(nèi)部寄存器可以方便地調(diào)節(jié)顯示亮度。

  5. 上電顯示空白

  上電時(shí)顯示空白，避免不必要的顯示干擾。

  6. 低 EMI 設(shè)計(jì)

  MAX7221 的壓擺率限制段驅(qū)動(dòng)器有助于降低 EMI，提高系統(tǒng)的電磁兼容性。

  7. 豐富的接口兼容性

  MAX7221 兼容 SPI、QSPI 和 MICROWIRE 串行接口，方便與各種微處理器連接。

  8. 多種封裝形式

  提供 24 引腳的 DIP 和 SO 封裝，滿足不同的應(yīng)用場(chǎng)景和 PCB 布局需求。

三、電氣特性

1. 電源電壓

工作電源電壓范圍為 4.0V 至 5.5V，典型值為 5V。

2. 電流參數(shù)

• 關(guān)斷電源電流：在所有數(shù)字輸入處于 V+ 或 GND 且 (T_{A}= +25^{circ}C) 時(shí)，最大為 150μA。
• 工作電源電流：在不同工作狀態(tài)下有不同的取值，如 (R{SET}) 開路時(shí)，最大為 8mA；所有段和小數(shù)點(diǎn)開啟且 (I{SEG} = -40mA) 時(shí)，為 330mA。

  3. 顯示掃描速率

  8 位顯示時(shí)，典型掃描速率為 800Hz，范圍在 500Hz 至 1300Hz 之間。

  4. 驅(qū)動(dòng)電流

• 位驅(qū)動(dòng)灌電流：在 (V+ = 5V)，(V_{OUT} = 0.65V) 時(shí)，為 320mA。
• 段驅(qū)動(dòng)源電流：在 (T{A}= +25^{circ}C)，(V+ = 5V)，(V{OUT} = (V+ - 1V)) 時(shí)，范圍為 -30mA 至 -45mA。

四、引腳說明

五、功能寄存器

1. 數(shù)字和控制寄存器

芯片共有 14 個(gè)可尋址的數(shù)字和控制寄存器，其中數(shù)字寄存器由片上 8x8 雙端口 SRAM 實(shí)現(xiàn)，可以直接尋址，只要 (V+) 通常超過 2V，單個(gè)數(shù)字就可以更新并保留數(shù)據(jù)?？刂萍拇嫫靼ń獯a模式、顯示強(qiáng)度、掃描限制、關(guān)斷和顯示測(cè)試等功能。

2. 關(guān)斷模式

當(dāng)芯片處于關(guān)斷模式時(shí)，掃描振蕩器停止，所有段電流源拉至地，所有數(shù)字驅(qū)動(dòng)器拉至 V+（MAX7221 驅(qū)動(dòng)器為高阻抗），顯示空白，但數(shù)字和控制寄存器中的數(shù)據(jù)保持不變。關(guān)斷模式可用于節(jié)省電源或作為警報(bào)閃爍顯示。通常，MAX7219/MAX7221 離開關(guān)斷模式所需時(shí)間小于 250μs，并且在關(guān)斷模式下可以對(duì)顯示驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行編程，顯示測(cè)試功能可以覆蓋關(guān)斷模式。

3. 初始上電

初始上電時(shí)，所有控制寄存器復(fù)位，顯示空白，芯片進(jìn)入關(guān)斷模式。在使用顯示驅(qū)動(dòng)器之前，需要對(duì)其進(jìn)行編程，否則初始設(shè)置將掃描一位數(shù)字，不解碼數(shù)據(jù)寄存器中的數(shù)據(jù)，并且強(qiáng)度寄存器將設(shè)置為最小值。

4. 解碼模式寄存器

該寄存器為每個(gè)數(shù)字設(shè)置 BCD 代碼 - B（0 - 9、E、H、L、P 和 -）或無解碼操作。寄存器中的每個(gè)位對(duì)應(yīng)一個(gè)數(shù)字，邏輯高選擇代碼 - B 解碼，邏輯低繞過解碼器。

5. 強(qiáng)度控制和位間消隱

• 外部電阻控制：通過連接在 V+ 和 ISET 之間的外部電阻 (R_{SET}) 可以控制顯示亮度，段驅(qū)動(dòng)器的峰值電流通常是流入 ISET 電流的 100 倍。該電阻可以是固定的或可變的，以實(shí)現(xiàn)從前面板進(jìn)行亮度調(diào)節(jié)，其最小值應(yīng)為 9.53kΩ，通常將段電流設(shè)置為 40mA。
• 數(shù)字控制：內(nèi)部脈沖寬度調(diào)制器通過強(qiáng)度寄存器的低半字節(jié)提供顯示亮度的數(shù)字控制，調(diào)制器將平均段電流以 16 級(jí)從 RSET 設(shè)置的峰值電流的 31/32 調(diào)節(jié)到 1/32（MAX7221 為 15/16 到 1/16）。

  6. 掃描限制寄存器

  該寄存器設(shè)置顯示的數(shù)字?jǐn)?shù)量，范圍從 1 到 8。數(shù)字以多路復(fù)用方式顯示，8 位顯示時(shí)典型顯示掃描速率為 800Hz。如果顯示的數(shù)字較少，掃描速率為 (8f_{osc}/N)，其中 (N) 是掃描的數(shù)字?jǐn)?shù)量。由于掃描數(shù)字的數(shù)量會(huì)影響顯示亮度，因此掃描限制寄存器不應(yīng)用于空白顯示部分（如前導(dǎo)零抑制）。

  7. 顯示測(cè)試寄存器

  該寄存器有正常和顯示測(cè)試兩種模式。顯示測(cè)試模式通過覆蓋但不改變所有控制和數(shù)字寄存器（包括關(guān)斷寄存器）使所有 LED 點(diǎn)亮。芯片將保持在顯示測(cè)試模式（所有 LED 點(diǎn)亮），直到顯示測(cè)試寄存器重新配置為正常操作。

  8. 無操作寄存器

  在級(jí)聯(lián) MAX7219 或 MAX7221 時(shí)使用該寄存器。將所有設(shè)備的 LOAD/CS 輸入連接在一起，并將 DOUT 連接到相鄰設(shè)備的 DIN。例如，如果級(jí)聯(lián)四個(gè) MAX7219，要寫入第四個(gè)芯片，先發(fā)送所需的 16 位字，然后發(fā)送三個(gè)無操作代碼（十六進(jìn)制 0xX0XX）。當(dāng) LOAD/CS 變?yōu)楦唠娖綍r(shí)，數(shù)據(jù)將在所有設(shè)備中鎖存。

六、應(yīng)用注意事項(xiàng)

1. 電源旁路和布線

為了最小化由于峰值數(shù)字驅(qū)動(dòng)電流引起的電源紋波，應(yīng)在 V+ 和 GND 之間盡可能靠近芯片的位置連接一個(gè) 10μF 電解電容器和一個(gè) 0.1μF 陶瓷電容器。MAX7219/MAX7221 應(yīng)靠近 LED 顯示器放置，并且連接應(yīng)盡可能短，以減少布線電感和電磁干擾的影響。同時(shí)，兩個(gè) GND 引腳都必須連接到地。

2. (R_{SET}) 電阻選擇和外部驅(qū)動(dòng)器使用

每個(gè)段的電流大約是流入 ISET 電流的 100 倍。選擇 (R{SET}) 時(shí)可參考相關(guān)表格，MAX7219/MAX7221 的最大推薦段電流為 40mA。如果段電流水平高于此值，則需要外部數(shù)字驅(qū)動(dòng)器。在這種應(yīng)用中，MAX7219/MAX7221 僅作為其他高電流驅(qū)動(dòng)器或晶體管的控制器。為了節(jié)省電源，使用外部電流源作為段驅(qū)動(dòng)器時(shí)應(yīng)使用 (R{SET}=47kΩ)。

3. 功率耗散計(jì)算

芯片的功率耗散上限由以下公式確定： [P{D}=(V+×8mA)+(V+ - V{LED})(DUTY×I{SEG}×N)] 其中：(V+) 為電源電壓，(DUTY) 為強(qiáng)度寄存器設(shè)置的占空比，(N) 為驅(qū)動(dòng)的段數(shù)（最壞情況為 8），(V{LED}) 為 LED 正向電壓，(I{SEG}) 為 (R{SET}) 設(shè)置的段電流。

4. 驅(qū)動(dòng)器級(jí)聯(lián)

可以通過級(jí)聯(lián)多個(gè) MAX7219/MAX7221 芯片來驅(qū)動(dòng)更多的數(shù)字。例如，使用 3 線 μP 接口可以驅(qū)動(dòng) 16 位數(shù)字。如果數(shù)字?jǐn)?shù)量不是 8 的倍數(shù)，應(yīng)將兩個(gè)驅(qū)動(dòng)器的掃描限制寄存器設(shè)置為相同的數(shù)字，以避免一個(gè)顯示器比另一個(gè)更亮。

七、總結(jié)

MAX7219/MAX7221 芯片以其豐富的功能、靈活的控制方式和良好的電氣性能，為 LED 顯示驅(qū)動(dòng)提供了優(yōu)秀的解決方案。在實(shí)際應(yīng)用中，我們需要根據(jù)具體的需求合理選擇芯片型號(hào)、設(shè)置寄存器參數(shù)，并注意電源旁路、布線、電阻選擇等問題，以確保芯片能夠穩(wěn)定、高效地工作。希望本文對(duì)大家在使用 MAX7219/MAX7221 芯片進(jìn)行電子設(shè)計(jì)時(shí)有所幫助。你在使用這款芯片的過程中遇到過哪些問題呢？歡迎在評(píng)論區(qū)分享交流。