background image

PRZEGL!D ELEKTROTECHNICZNY (Electrical Review), ISSN 0033-2097, R. 86 NR 10/2010                                                      203 

Lech GRODZKI 

Bialystok Technical University - Faculty of Electrical Engineering 

 
   

 

Constant-current driving of the LEDs' group 

 
 

Abstract. Some LED applications need parallel driving of the groups of diodes. The article presents few selected chips designed to constant-current 
LED driving. The paper contains the description of main properties of those integrated circuits and some results of realised research works on their 
application  features.  Because  the  presented  devices  have  SPI  interface,  they  can  be  controlled  by  supervising  microcontroller.  The  paper  also 
contains the proposal of automotive application, as the component of modern vehicle electrical system. 

 

Streszczenie.  Artyku!  prezentuje  kilka  wybranych  uk!adów  scalonych  przeznaczonych  do  sta!opr"dowego  sterowania  diodami  LED.  Obok 
prezentacji cech u#ytkowych tych uk!adów, zawarto tak#e wybrane wyniki bada$ aplikacyjnych, zwi"zanych z wykorzystaniem interfejsu SPI do ich 
sterowania przez mikrokontroler. Artyku! zawiera równie# propozycj% aplikacji uk!adów tego typu w nowoczesnej instalacji elektrycznej samochodu.

 

Ci!g"o-pr!dowe sterowanie grupowe diodami LED 
 
Keywords: constant-current LED driving, LED group working, microcontrollers 
S!owa kluczowe:  sta!opr"dowe sterowanie LED, praca grupowa diod LED, mikrokontrolery 

 
 

Group driving of LED diodes 
 

Some  LED  applications  are  based  on  simultaneous 

control of few or more devices. For example, they are used 
for  back-lighting  other  devices  (like  LCD  displays, 
illuminating  advertising  panels,  etc.)  or  they  perform 
information  functions  directly,  like  traffic  lights,  road  signs, 
information  panels,  etc.  In  simplest  case,  LED  driving 
circuits  in  those  applications  have  to  switch  on  and  off  the 
whole  groups  of  LED  devices.  More  advanced  applications 
need  also  the  possibility  of  dimming  the  lighting  sources. 
That last feature allows to automatic control of emitting light 
flux,  according  to  external  conditions,  like  external 
illumination or the time of a day. 
 

If  group  driving  demands  only  simple  switch  on-off 

features,  without  any  brightness  control,  the  driving  circuits 
can  be  reduced  to  bi-stable  transistor  valves.  The 
brightness  control  feature  needs  more  complex  circuits.  To 
achieve  this  feature,  a  PWM  control  of  switching  power 
transistor  has  been  applied,  form  many  years  [1,  2].  The 
value  of  pulse  width  coefficient  defines  the  switch-on  and 
switch-off  periods  of  LED  group.  Increasing  of  that 
coefficient  causes  the  higher  brightness  of  emitting  light. 
This  dimming  control  idea  is  based  on  human  eyesight 
sense  features:  integrating  light  pulses  and  limited  fast 
event notification. 
 

In  last  years  some  IC  manufacturers  started  deliver  the 

integrated  devices,  which  can  control  the  constant  current 
supplying  the  LED.  Such  devices  allow  to  more  precise 
control  of  LED  brightness.  Especially,  integrated  circuits 
controlling  few  or  more  LED  simultaneously  are  very 
interesting for group LED driving. 

 

Group driving ICs - general characteristics 
 

Texas  Instruments  elaborated  the  series  of  integrated 

circuits  dedicated  to  the  control  of  work  of  groups  of  LED 
diodes.  Among  others,  company  offers  either  chips  with  8 
output  channels  -  TLC5916/17  or  16  output  channels  - 
TLC5926/27 [3, 4]. The characteristic feature of those ICs is 
application  of  N  controlled  current  sources,  with  commonly 
adjusted  current  efficiency.  Output  current  adjustment  can 
be realised in two ways: 
1.  By  the  change  of  the  external  resistor  R

EXT

  we  can 

define  the  maximum  value  of  current  source  efficiency, 
common for the all of outputs, according to formula: 

 

(1) 

EXT

OUTMAX

R

V

,

I

15

25

1

!

"

 

 

The  internal  construction  and  power  dissipation 
possibilities  limit  the  range  of  output  current  I

OUTMAX

  to 

the range: 5 - 120 mA. 

2.  By sending via serial interface appropriate configuration 

byte  (Fig.  1).  That  byte  determines  the  fraction  of 
maximum  output  current  value  I

OUTMAX

,  defines  by 

formula 1, which states the present efficiency of current 
sources. That fraction, called current gain (CG), can take 
256  discrete  values  among  the  range:  1/12-127/128, 
according to the following formulas. 

 

  (2)  

#

$

%

&

'

(

)

)

"

64

1

4

1

CC

HC

VG

 

  (3) 

1

3

*

!

"

CM

VG

CG

 

   

 

where:  CM,  HC  and  6-bit  word  CC  are  components  of 
the configuring byte. 
After  power-up  devices  work  with  default  values: 
CM

 = 1, HC = 1, CC = 111111b. It means that CG equals 

0,992  and  causes  maximum  output  current  value 
I

OUTMAX

, limited by external resistor R

EXT

. Figure 2 shows 

the value of current gain CG depending on the value of 
configuration  byte  with  constant  value  of  external 
resistor R

EXT

 

Fig.1. Configuration byte of TLC5916/17 

Fig.2. Current gain (CG) versus value K of configuration byte 

 

 

The  utilization  of  the  second  method  is  possible  only  in 

cooperation with supervising processor. Figure 3 shows the 
testing  circuit,  used  in  described  research  works.  It's  a 
typical  application  circuit  for  that  family  of  integrated 
devices.  Microcontroller  can  manage  the  devices  via  serial 
synchronous  interface  looking  like  SPI.  This  interface  is 

64

128

192

255

0,992

0,750

0,500

0,250

0,083

0

K

 [-]

0

CG 

 [-]

 

CM

HC

CC

5

CC

4

CC

3

CC

2

CC

1

CC

0

background image

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

used  to  transfer  to  IC  driver  on-off  control  word,  switching 
outputs  OUT

X

,  and  configuration  byte.  The  same  interface 

allows  to  read  out  the  device  status  word,  containing  the 
information  about  detected  malfunctions  of  the  output 
channels.  Control  circuits  of  current  sources  can  detect 
following errors, separately for each channel: 
+  open  circuit  -  too  low  value  of  output  voltage  for 

switched-on channel; 

+  over-temperature shutdown in working output channel - 

too high temperature of output circuit in given channel; 

+  LED  short-circuit  -  too  high  value  of  voltage  for 

switched-on output (only TLC5917 and TLC5927 ICs). 

Fig.3. Testing circuit applied during research works 

 

 

During  simultaneous  control  of  group  of  LED  devices, 

we try to achieve the same working points, as the condition 
of  steady  brightness  of  several  diodes.  For  presented  IC 
drivers  manufacturer  guarantees  quite  good  output  current 
accuracy:  ±3%  between  channels  in  the  same  chip  and 
±6%  between  different  ICs.  There  are  satisfied  values, 
looking  at  the  typical  divergence  of  LED  working 
characteristics.  

 

Adjusting the LED forward current 
 

In  last  capture  two  ways  of  output  current  adjustment 

are pointed:  

hardware method, by the changes of external resistor; 

software  method,  utilizing  the  configuration  byte 
transferred to driver IC via serial interface. 

The  both  methods  allow  to  precise  adjustment  of  LED 
forward  current.  But  the  second  of  them  is  more  suitable, 
even though it needs the supervising microcontroller.

 

 

In practice, software method can realised in two ways:  

1.  External  resistor  R

EXT

  is  set  to  the  value  giving  I

OUTMAX

 

current  equal  the  needed  LED  forward  current  I

FLED

.  It 

causes  that  any  configuration  byte  with  value  differ  to 
11111111b,  written  to  IC  driver  will  decrease  the  LED 
current. We achieve the possibility of fluent control only 
during  dimming  of  LED  group  connected  to  the  chip 
output channels. 

2.  The value of the external resistor R

EXT

 is set less then it's 

described  above.  In  such  situation,  the  optimum  LED 
forward current I

FLED

 we can achieve at current gain CG 

less  then  0,992  (I

FLED

  <  I

OUTMAX

).  Then,  before  the 

switching on the outputs OUT

X

, we should send to the IC 

driver  appropriate  configuration  byte,  decreasing  the 
value of output currents I

OUT

. Presented solution results 

in the less number of dimming steps, but also allows for 
increasing  the  LED  current  over  the  chosen  working 
value.  The  possibility  of  occasional  increasing  the  LED 
luminance, can be very useful in some applications. For 
example,  if  it  is  important  to  achieve  the  constant 
luminance  contrast  between  the  vehicle  signalling  lamp 
and  the  external  lighting,  it  would  be  possible  to 

increase the luminous flux  while the external luminance 
flux reaches high values. 

 

According  to  the  application  note  [5],  it’s  possible  to 

point  one  another  way  of  the  output  current  adjustment, 
especially  useful  for  POWER  LEDs.  Even  though  the 
maximum  output  current  of  each  channel  is  equal  120 mA, 
for driving of POWER LED devices it can be insufficient. In 
such  case,  driver  outputs  can  be  connected  in  parallel,  to 
obtain  controllable  output  current  up  to  I

NOUTMAX

  = 

N

·120 mA. Using 8-channel TLC5916/17 ICs we can control 

the 4, 2 or 1 POWER LED, up to 960 mA, according to their 
forward currents  - figure 4. 

Fig.4. Possible POWER LED control configurations in order to their 
forward  current:  a  -  up  to  240 mA;  b  -  up  to  480 mA;  c  -  up  to 
960 mA 

  

 

In  this  way,  we  achieve  additional  method  of  POWER 

LED  current  adjustment:  simultaneous  change  the  current 
gain  and  the  number  of  working  paralleled  channels.  For 
fluent  dimming  in  wide  range  of  LED  forward  current  it's 
sufficient to select the number of switched on channels and 
the  value  of  configuration  byte.  That  additional  POWER 
LED  current  adjustment  method  widens  the  application 
fields of presented IC drivers. 

 

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,  according  to  defined  transfer 
frame,  does  not  matching  fully  to  SPI  standard,  data 
exchange  between  microcontroller  and  IC  LED  driver 
should  be  realised  under  software  control.  The  suitable 
testing  software,  written  in  machine  language,  had  been 
prepared for testing circuit from figure 3. Programmes were 
debugged and tested in IDE AVRStudio. The realised tests 
with  supervising  microcontroller  ATmega8515,  clocked 
frequency  10 MHz,  allow  to  estimate  software  transfer 
speed. Execution times of most important control operations 
for TLC5916/17 and TLC5926/27 are presented in table 1.  

 

Table  1.  Execution  time  of  selected  software-implemented 
operations for TLC5916/17 i TLC5926/27 

Operation 

TLC5916/17 

TLC5926/27 

control word transfer 
(8b for TLC5916/17, 16b for 
TLC5926/27) 

11,1 #s 

23,1 #s 

configuring word (with current gain 
coefficient) transfer  
(8b for TLC5916/17, 16b for 
TLC5926/27) 

10,6 #s 

16,3 #s 

switching working mode from normal 
to special 

4,1 #s 

4,1 #s 

switching working mode from 
special to normal 

3,7 #s 

3,7 #s 

setting special working mode and 
read out the error word  
(8b for TLC5916/17, 16b for 
TLC5926/27) 

16,6 #s 

26,2 #s 

switching the LED group using /OE 
signal 

0,3 #s 

0,3 #s 

minimum  period  of  SPI  clocking 
signal SCLK 

0,4 #s 

0,4 #s 

 

SDI
CLK
 
LE
OE

SDO

VDD

 

REXT

O

U

T

0

O

U

T

1

 

:

:

O

U

T

6

O

U

T

7

G

N

D

PB6/MISO
PB5/MOSI

PB7/SCK

 

PB4
PB3

 

U

LED

R

EXT

U

CC

100nF

ATmega8515

TLC5916/17

 

U

LED

TLC5916/17

a)

U

LED

TLC5916/17

b)

U

LED

TLC5916/17

c)

OUT0
OUT1
OUT2
OUT3
OUT4
OUT5
OUT6
OUT7

OUT0
OUT1
OUT2
OUT3
OUT4
OUT5
OUT6
OUT7

OUT0
OUT1
OUT2
OUT3
OUT4
OUT5
OUT6
OUT7

background image

PRZEGL!D ELEKTROTECHNICZNY (Electrical Review), ISSN 0033-2097, R. 86 NR 10/2010                                                      205 

 

The analysis of the table contents leads to a conclusion 

that:  for  8-channel  driver  switching  word  and  configuration 
byte can be updated about 90000 times per second. The IC 
with 16 outputs is served slower. 
 

Three  of  the  mentioned  in  table  1  operations  can  be 

supported  by  hardware  SPI  interface.  It  give  us  a  shorter 
execution times, as it is shown in table 2. 

 

Table  2.  Execution  time  of  some  operations  using  hardware  SPI 
interface for TLC5916/17 i TLC5926/27 

Operation 

TLC5916/17  TLC5926/27

control word transfer 
(8b for TLC5916/17, 16b for 
TLC5926/27) 

5,7 #s 

 9,4#s 

configuring word (with current 
gain coefficient) transfer  
(8b for TLC5916/17, 16b for 
TLC5926/27) 

6,6 #s 

10,3 #s 

setting special working mode and 
read out the error word  
(8b for TLC5916/17, 16b for 
TLC5926/27) 

14,0 #s 

18,2#s 

 
Application proposal 
 

One  of  the  possible  applications  of  presented  LED  IC 

drivers is their usage in vehicle signalling lamps. The aim is 
designing,  for  instance,  car  STOP  lights  with  ability  of  self-
adjusting  their  luminance,  according  to  changing  ambient 
conditions,  to  guarantee  the  optimal  luminance  contrast 
between  activated  signalling  lamps  and  other  vehicle  lights 
or  ambient  luminance.  It  should  be  noted,  that  adaptive 
signalling vehicle lamps are already allowed by international 
standards [6]. The concept of such car lamp was described 
among  other  in  [7]:  proposed  solution  can  be  realised  on 
the  base  of  local  analog-digital  circuit,  adjusting  the  light 
source  supply  voltage.  The  usage  of  local  microcontroller 
and  IC  LED  driver  really  increases  the  construction 
functionality. 
 

TLC59xx

,C

SPI

CAN

12V

LS1

LS2

 

Fig.5. The proposal of intelligent vehicle signalling lamp 

 
 

In  proposed  solution  (Fig.  5)  local  microcontroller  is 

connected  with  LED  driver  by  SPI  interface.  Using  that 
interface  microcontroller  sends  to  LED  driver  orders  to 
control  the  light  source  (switch  on,  switch  off,  brightness 
adjustment),  according  to  orders,  received  via  CAN  bus 
from supervising computer. 

Using  the  local  light  sensors  LS1  and  LS2  [7]  and  the 

messages  from  CAN  bus,  microcontroller  decides  about 
LED  current  adjustment.  In  addition,  using  the  features  of 
TLC59xx  chips,  it  can  test  the  efficiency  of  group  of  LEDs. 
As  it  was  described  earlier,  troubles,  like  short  break, 
short-circuit,  over-temperature  shut  down,  in  any  output 
channel  are  indicated  in  read  out  status  word.  This 

information  should  be  transfer  to  the  vehicle  central 
computer.  It  can  be  also  used  locally  to  adjust  the  light 
source,  by  increasing  the  currents  in  others  active  LED 
supplying channels, to maintain the ordered luminance flux. 
Suggested  automotive  application  of  TLC59xx  family  chips 
can be applied also in classical electrical vehicle net. In that 
case,  local  microcontroller  of  signal  lamp  should  trace  the 
state  of  dedicated  signal  line  instead  the  receiving 
messages via CAN bus. 
  
Conclusion 
 

Integrated  circuits  providing  constant  current  supplying 

LEDs  are  offered  by  others  manufactures,  too.  For 
example,  National  Semiconductors  offers  several  ICs,  but 
those  chips  have  only  single  [8]  or  no  more  then  few  [9] 
controlled outputs. In addition their applications need some 
discrete  external  elements,  like  resistors,  capacitors  and 
coils.  Moreover,  LED  brightness  adjustment  is  realised  by 
PWM  signal  provided  to  special  terminal  of  ICs.  Integrated 
LED drivers with 8 or 16 output channels are also offered by 
Allegro  MicroSystems  [10].  But  embedded  SPI  interface 
allows  only  for  switching  and  checking  LED  diodes. 
Dimming  is  possible  only  using  additional  PWM  control 
signal. 
 

Watching  the  broadening  offer  of  LED  constant  current 

IC drivers, it is possible to suppose, that those chips will find 
durable  place  for  themselves  in  the  wide  range  of  LED 
applications. 
 

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

 

REFERENCES

 

[1]  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. 

[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]  Texas Instruments: TLC5916, TLC5917 8-bit constant-current 

LED sink drivers. Datasheets on www.ti.com. 2008. 

[4]  Texas  Instruments:  TLC5926,  TLC5927  16-bit  constant-

current LED sink drivers. Datasheets on www.ti.com. 2008. 

[5]  Day M.: LED driver - Paralleled Outputs Provide High-Current 

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

[6]  Mo'ko W., Ka(mierczak P., )ukasik M.: Luminance contrast of 

vehicle  signalling  lamps.  Przegl"d  Elektrotechniczny,  85 
(2009), nr 11, 272-275. 

[7]  )ukasik  M.:  The  concept  of  the  wheeled  vehicle's  adaptive 

stop  lamps  operation.  Przegl"d  Elektrotechniczny,  84  (2008), 
nr 8, 186-189. 

[8]  National  Semiconductors:  LM3402/LM3402HV  0.5A  constant 

Current  Buck  Regulator  for  Driving  High  Power  LEDs. 
Datasheets on www.national.com. 2008. 

[9]  National 

Semiconductors: 

LM3432/LM3432B 

6-Channel 

Current  Regulator  for  LED  Backlight  Application.  Datasheets 
on www.national.com. 2008. 

[10]  Allegro 

MicroSystems: 

Constant-Current 

LED 

Drivers. 

Application  Information  AN29503  on  www.allegromicro.com. 
2007. 

 

 

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