background image

200                                                PRZEGL!D ELEKTROTECHNICZNY (Electrical Review), ISSN 0033-2097, R. 86 NR 10/2010 

Lech GRODZKI 

Bialystok Technical University - Faculty of Electrical Engineering 

 
   

Constant-current driving of the RGB LED

 

 
 
Abstract. LED RGB driving circuit should allow to stabilise the chosen colour of light according to the changing working conditions. Usually it is done 
by the PWM control of the monochrome diode components. Some new integrated circuits widen the methods of LED control. Those ICs, working 
under  processor  control,  realise  the  constant-current  supplying  of  LED  diodes.  The  paper  contains  the  description  of  main  properties  of  such 
integrated circuits and some results of realised research works on their application features. 
 
Streszczenie.  Uk!ady  steruj"ce  diodami  LED  RGB  powinny  umo#liwia$  stabilizowanie  barwy  emitowanego  %wiat!a  przy  zmieniaj"cych  si& 
warunkach zewn&trznych. Zwykle wykorzystuje si& do tego sygna!y PWM. Nowoczesne uk!ady scalone umo#liwiaj" zastosowanie tak#e sterowania 
sta!opr"dowego. Artyku! zawiera prezentacj& wybranych uk!adów tego typu, ich cech u#ytkowych i w!a%ciwo%ci aplikacyjnych. 
Ci!g"o-pr!dowe sterowanie diod! LED RGB
 
 
Keywords: 
constant-current LED RGB driving, LED group working, microcontrollers 
S!owa kluczowe: sta!opr"dowe sterowanie diod LED RGB, praca grupowa diod LED, mikrokontrolery 
 
 

LED RGB driving  
 

The  main  aims  of  LED  RGB  driving  circuit  are  the 

controlling  the  value  of  luminance  flux  and  its  colour.  They 
are two basic features of LED RGB diode, as a light source 
illuminating  architectural  elements,  art  objects,  etc.  To 
achieve 

the 

changes 

of 

these 

parameters, 

the 

monochromatic  components  of  RGB  diode  should  be 
controlled.  The  main  electrical  factors  deciding  about  the 
work  of  RGB  diode  are  forward  currents  flowing  by 
component diodes. By controlling of these currents we can: 

change  the  ratios  between  monochromatic  luminance 
fluxes !

R

!

G

!

B

 to change the colour of resultant flux; 

change  total  luminous  flux  by  simultaneous  changes 
forward currents I

FR

I

FG

 and I

FB

 in component diodes; 

correct  the  influences  on  brightness  and  luminance 
colour such environment factors as ambient temperature 
or ageing the LED diode as a semiconductor devices. 

 

Very  popular  method  of  LED  luminance  control  is 

applying  the  pulse  width  modulation.  It  is  based  on  human 
eyesight sense features: integrating light pulses and limited 
fast  event  notification.  By  appropriate  selecting  the  duty 
cycle coefficients it is possible to control total luminance flux 
as the sum of monochrome

 

component fluxes:

  

 

 

(1) 

B

G

R

"

"

"

"

#

#

$

 

 

 

The same principle is used to control the LED RGB colour - 
the changes of ratios between component luminance fluxes 
!

R

!

G

!

B

 result in the colour changes. 

PWM  controlled  LED  RGB  drivers  can  be  built  using 

analog  circuits  [1],  microcontrollers  [2]  and  even  FPGA 
devices  [3].  Unquestionable  disadvantage  of  described 
above  method  is  the  necessity  of  simultaneous,  multi-
channel  generating  rectangle  waveforms  with  suitable  high 
frequency and adjustable duty cycle coefficients. Therefore, 
the  appearance  of  new  solutions  in  driving  LED  devices  is 
worthy of notice. 
 
Constant-current IC drivers - general characteristic 
 

Texas  Instruments  offers  a  several  ICs,  dedicated  to 

constant-current  driving  of  16  LED  diodes,  with  separate 
forward  current  correction.  There  are  the  chips:  TLC5922, 
TLC5923 and TLC5924. They have some common features 
[4, 5, 6], like: 

16 output channels, each with controlled current source 
with the current range 0-80 mA and accuracy ±1%; 

7-bit  current  correction  coefficient,  separately  for  each 
channel; 

individual switching of output channels; 

IC supply voltage range: 3,0-5,5 V; 

LED  device  supply  voltage  up  to  17 V,  what  allows  to 
control LED connected in series; 

serial  synchronous  SPI  interface,  with  speed  up  to 
30 MHz,  allowing  supervising  controller  to  control  the 
work of IC driver; 

input of common blanking all the output channels; 

the possibility of cascading IC devices on SPI bus. 

Except  the  common  features,  presented  ICs  have  some 
differences each other, as it is shown in table 1. 

 

Table 1. Selected feature differences of TLC5922/23/24 

Feature 

TLC5922  TLC5923  TLC5924

operation temperature range  -20÷85°C  -40÷85°C  -40÷85°C
LED open detection and 
indication 

over-temperature indication 

maximum LED supply 
voltage U

LEDMAX

 

17 V 

17 V 

16 V 

pre-charge FET circuit 

 

Autonomous work of IC drivers 
 

Presented  IC  drivers  are  able  to  work  autonomous, 

without  supervising  microcontroller,  but  in  that  case  they 
would  drive  the  LEDs  with  a  stable  forward  current,  the 
same  for  all  output  channels.  Then,  the  only  method  of 
changing the forward currents is to change external resistor 
R

IREF

.  That  discrete  element  is  placed  between  the  power 

ground and built-in band gap with a typical value of 1,24 V. 
The maximum output current per channel can be calculated 
by formula 2. 

 

(2)  

IREF

OUTMAX

R

V

,

I

40

24

1

%

$

 

 

The  value  of  R

IREF

  should  not  be  smaller  than  600 #.  The 

above relation is illustrated by figure 1.  
 

The  second  way  of  controlling  the  LED  devices, 

connected to autonomous working IC driver, is the usage of 
input  terminal  BLANK,  which  high  logic  level  switches  off 
simultaneously all output channels. 
 

In  addition,  TLC5923/24  devices  have  output  signal 

XERR,  informing  about  detection  of  their  malfunction,  like 
open LED circuit or over-temperature condition of IC. 
 

TLC5924  chip  has  also  built-in  pre-charge  FET  circuit, 

that  enables  an  improvement  in  image  quality  of  the 
dynamic-drive  LED  display.  That  circuit  uses  LED  supply 

background image

PRZEGL!D ELEKTROTECHNICZNY (Electrical Review), ISSN 0033-2097, R. 86 NR 10/2010                                                     201 

voltage  U

LED

  provided  to  selected  terminal  of  driver 

package.  If  the  current-carrying  capacity  of  single  output 
channel, equal 80 mA, is insufficient, there is a possibility of 
parallel  connecting  several

 

outputs.  That  solution  is 

recommended  by  manufacturer  in  one  of  the  application 
notes  [7].  In  that  case  the  resultant  maximum  current  of 
paralleled outputs is calculated by formula: 

 

(3)  

OUTMAX

OUTN

I

N

I

%

$

 

 

 

 

500

1000

1500

2000

2500

3000

R

IREF

[ ]

&

I

OUTMAX 

 

[mA]

 

 
Fig.1. The relation between the value of external resistor R

IREF

 and 

maximum output current I

OUTMAX

  

 

 

Because  presented  IC  drivers  have  16  current  outputs 

each,  then  to  drive  POWER  LED  RGB,  it  is  possible  to 
group  outputs  into  3  groups,  with  5  paralleled  outputs  per 
each group. In such circuit, the maximum forward current of 
monochromatic components would be equal 400 mA. 

 

Co-operation with microprocessor system 
 

The  proper  application  circuit  of  TLLC5922/23/24 

devices 

uses 

the 

connection 

with 

supervising 

microcontroller. Allowable supply  voltage of ICs (3,3V - 5V) 
lets  for  collaboration  with  either  older  or  up-to-date 
microcontrollers.  The  example  circuit,  with  AVR  controller, 
is shown in figure 2.  

 

SIN
SCLK
MODE
XLAT
BLANK
XERR

SOUT

VCC

GND

IREF

O

U

T

0

O

U

T

1

:  

:

:

O

U

T

14

O

U

T

15

P

G

N

D

U

LED

R

IREF

U

CC

100nF

ATmega8515

TLC5923

U

CC

 

Fig.2. 

Typical 

application 

connection 

with 

supervising 

microcontroller 

 

 

For co-operation between LED IC drivers and controller 

the  built-in  SPI-slave  interface  is  used.  Using  this  interface 
the supervising microcontroller can transfer to IC driver: 

16-bit  switching  word,  which  bits  switch  on  or  off 
independently all output channels (Fig.3a); 

112-bit word, called dot-correction word, containing 

sixteen  7-bit  length  coefficients  DC

X

,  programming  each  of 

the 16 output current I

OUTX

 (Fig.3b).

 

 

For  distinguishing  those  both  transmissions  the 

additional  control  input  terminal,  called  MODE,  is  used. 
Each  transfer  ends  with  the  pulse  on  latching  input  XLAT. 
The  rising  edge  on  XLAT  input  causes  storing  the  serial 
transferred  data  in  appropriate  internal  register.  Moreover, 
TLC5923  and  TLC5924  devices  allow  read  out  16-bit  error 
word.  It  depends  on  reading  the  states  of  LED  open 
detection  circuits  in  output  channels,  during  falling  edge  of 
XLAT  signal  into  internal  shifting  register.  That  shifting 
register  can  be  read  via  serial  data  output  SOUT  using 
sixteen  clocking  pulses  on  SCK  input.  According  to  SPI 
standard,  the  simultaneous  writing  of  switching  word  and 
reading of error word is possible, too. 

 

Fig.3. Control words for TLC5922/23/24 devices: 
a - 16-bit switching word; b - 112-bit dot correction word with 
coefficients DC

X

 

 

 

The  open-drain  (OD)  output  XERR  is  used  to  report 

detected  malfunctions  in  TLC5923/24  chips.  The  circuit-
break  at  least  in  one  off  enabled  output  channels  or  over-
temperature condition of IC structure pulls down that output. 
Open-drain  configuration  allows  to  connect  many  such 
outputs  to  a  single  line,  to  inform  the  microcontroller  about 
working errors of many LED drivers. This line can be either 
periodically  checked  by  microcontroller  or  used  as  its 
external interrupt. 
 

Especially  useful,  using  supervising  microcontroller,  is 

the possibility  of individual output current adjustment. Each 
of  the  16  channel  has  its  own  7-bit  coefficient  word  DC

X

which  value  determines  the  actual  output  current  of  it.  The 
current  adjustment  range  is  from  0 mA  up  to  I

OUTMAX

defined  by  external  resistor  R

IREF

  (formula  2).  That 

adjustment range is divided into 128 equal steps. It means, 
that if I

OUTMAX

 is equal 80 mA the value of adjustment step is 

equal 625 $A. This is a satisfied value for precise control of 
RGB  LED  component  currents.  By  appropriate  changes  of 
coefficients  DC

X

,  we  can  control  the  LED  brightness  with 

simultaneous  stabilising  the  ordered  colour  of  luminance. 
Because  LED  devices  are  non-linear  semiconductor 
elements,  brightness  control  can't  be  achieved  by  simple 
scaling of DC

X

 coefficients for monochrome components. In 

that 

case 

additional 

calculations, 

using 

working 

characteristics  !  =  f(I

F

)  for  each  monochrome  component, 

are necessary. 
 

During  driving  POWER  RGB  LED  with  connected  in 

parallel  N  output  channels,  due  to  higher  working  currents, 
we  achieve  very  wide  adjustment  range  of  component 
currents  I

FR

,  I

FG

,  I

FB

.  Because  each  of  paralleled  output 

currents  I

OUTX

,  according  to  value  of  DC

X

  coefficient,  can 

have  independently  any  of  128  values  from  the  range 
<0 mA ; I

OUTMAX

>,  the  resultant  currents  can  be  adjusted  in 

the  range  <0 mA ;  N  ·  I

OUTMAX

>,  in  N  ·  128  steps  each  - 

formula 4. 

 

(4) 

'

$

%

$

N

X

OUTX

X

)

GCB

(

FR

I

DC

I

1

 

 
 

DC15.6 . . . DC15.0 DC14.6

DC1.0 DC0.7

DC0.0

. . .

. . .

OUT15 OUT14 OUT13

OUT2 OUT1 OUT0

. . .

a)

b)

background image

202                                                PRZEGL!D ELEKTROTECHNICZNY (Electrical Review), ISSN 0033-2097, R. 86 NR 10/2010 

Selected results of tests  
 

Data  sheets  of  presented  IC  drivers  states,  that 

maximum  frequency  of  serial  interface  clocking  signal  is 
equal  30 MHz.  In  practice,  data  transfer  can  have  either 
software  or  hardware  implementation.  The  second  one  is 
possible,  if  used  microcontroller  have  built-in  SPI-master 
interface.  The  suitable  testing  software,  written  in  machine 
language,  had  been  prepared  for  test  circuit  from  figure  2. 
Programmes were debugged and tested in IDE AVRStudio. 
The  realised  tests  with  supervising  microcontroller 
ATmega8515, clocked frequency 10 MHz, allow to estimate 
transfer  execution  times  of  most  important  control 
operations for TLC5922/23/24. The results are presented in 
table 2.  The  utilization  of  high  level  programming  language 
(like C) can cause little longer service times. It depends on 
either applied programming techniques or selected compiler 
optimization options. 

 

Table 

2. 

Execution 

times 

of 

software 

and 

hardware 

implementations  the  main  control  operations  for  TLC5922/23/24 
devices 

Operation 

Implementation 

software 

hardware

16b control word transfer 

22,3 $s 

9,1 $s 

112b  dot-correction word transfer 

144,1 $s 

82,1 $s 

16b control word transfer with 
simultaneous read out the error word 
(doesn't match TLC5922) 

25,7 $s 

9,7 $s 

switching the LED group using BLANK 
signal 

0,3 $s 

0,3 $s 

minimum SPI clocking period 

0,4 $s 

0,2 $s 

 

 

The  analysis  of  the  table  2  contents  leads  to  a 

conclusion  that:  the  usage  of  hardware  SPI  interface 
increases the LED driver speed twice. Using hardware SPI 
interface  it's  possible  to  update  switching  word  to  100000 
times  per  second,  and  current  adjustment  word  can  be 
transferred  about 10000 times per second. There are quite 
satisfied  values,  according  to  human  eyesight  sense 
perception  ability.  So  if  we  don't  operate  with  maximum 
possible speed, we have free processor time, which can be 
used  for  additional  calculations,  needed  for  example  to 
appropriate  correction  of  current  coefficients  DC

X

  during 

brightness control. 
 

The  possible  high  speed  of  LED  driver  service  via 

hardware SPI is an important observation due to sometimes 
a  big  number  of  controlled  drivers.  Microcontroller 
supervising  of  few  or  more  drivers  like  TLC5922/23/24 
becomes easier, because these chips can be cascaded on 
SPI bus, as it's shown in figure 4. 

 

SIN
SCLK
MODE
XLAT
BLANK
XERR

SOUT

VCC

GND

IREF

O

U

T

0

O

U

T

1

:  

O

U

T

14

O

U

T

15

P

G

N

D

MISO
MOSI

SCK

PB2
PB4
PB3
PB1

U

LED

R1

U

CC

C1

U1

UD1

SIN
SCLK
MODE
XLAT
BLANK
XERR

SOUT

VCC

GND

IREF

O

U

T

0

O

U

T

1

:  

O

U

T

14

O

U

T

15

P

G

N

D

U

LED

Rn

U

CC

Cn

UDn

U

CC

(C

 

Fig.4. Cascading TLC5922/23/24 LED drivers on SPI bus 

 

Conclusion 
 

Constant  current  driving  of  LED  RGB  diodes  becomes 

the  alternative  solution  to  the  usually  used  driving  circuits, 
like  switching  supplying  or  PWM  control.  It  is  possible  due 
to  new  specialized  integrated  circuits  -  LED  drivers, 
provided  controllable  constant  current.  Presented  in  the 
paper idea of adjusting monochrome component currents of 
RGB  diode,  can  be  also  widened  to  quad-colour  LEDs, 
which  become  to  be  more  often  applied  in  illuminating  by 
the  reason  of  better  colour  rendering.  Presented  in  the 
paper ICs from Texas Instruments are not a unique devices, 
also other firms offer constant current drivers. 
 

Presented results are the part of research work No S/WE/1/06. 

 

REFERENCES

 

1.  Gilewski  M.,  Karpiuk  A.:  Elektroniczna  stabilizacja  parametrów 

%wietlnych  LED  RGB.  Przegl"d  Elektrotechniczny,  84  (2008), 
nr 8, 194-198. 

2.  Wojtkowski  W.:  Wykorzystanie  sprz&towych  bloków  PWM 

mikrokontrolerów  AVR  do  regulacji  jasno%ci  %wiecenia  diod 
LED du'ej mocy. Przegl"d Elektrotechniczny, 85 (2009), nr 11, 
306-309. 

3.  Wojtkowski  W.:  Wielokana!owa  regulacja  jasno%ci  %wiecenia 

diod LED z wykorzystaniem uk!adów programowalnych FPGA. 
Przegl"d Elektrotechniczny, 85 (2009), nr 11, 310-312. 

4.  Texas  Instruments:  TLC5922  LED  driver.  Datasheets  on 

www.ti.com. 2009. 

5.  Texas  Instruments:  TLC5923  16-channel  LED  driver  with  dot 

correction. Datasheets on www.ti.com. 2005. 

6.  Texas  Instruments:  TLC5924  16-channel  LED  driver  with  dot 

correction  and  pre-charge  FET.  Datasheets  on  www.ti.com. 
2006. 

7.  Day  M.:  LED  driver  -  Paralleled  Outputs  Provide  High-Current 

Outputs. Application report on www.ti.com. 2006. 

 

 

Author: dr in#. Lech Grodzki, Politechnika Bia!ostocka, Wydzia! 
Elektryczny, ul. Wiejska 45D, 15-351 Bia!ystok, E-mail: 
lgrodzki@we.pb.edu.pl