如何使用正確的元器件和設(shè)計方法來實現(xiàn)精確的亮度控制

發(fā)光二極管 (LED) 由于物理穩(wěn)健性、長壽命、高效率、快速開關(guān)能力和小尺寸而廣受歡迎。LED 每瓦發(fā)出的流明數(shù)比白熾燈泡多，并且效率不受尺寸和形狀的影響。然而，盡管 LED 得到了廣泛的使用和技術(shù)支持，但是精確控制 LED 的亮度仍然是一個挑戰(zhàn)。

原因有很多，并且與每個 LED 波長的物理特性有關(guān)，但是仍可使用正確的元器件和設(shè)計方法來實現(xiàn)精確的亮度控制。

本文簡要討論了與實現(xiàn)一致的 LED 亮度有關(guān)的問題。然后說明如何協(xié)同使用可編程 14 位電流輸出數(shù)模轉(zhuǎn)換器 (DAC)、運算放大器和精密模擬微控制器來精確控制 LED 的亮度。文中以來自 Analog Devices 的元器件為例。

LED 陣列/應(yīng)用

LED 半導(dǎo)體是一種隨著電流從陽極流向陰極而發(fā)光的光源。半導(dǎo)體電子與電子空穴重新結(jié)合，并以光子形式釋放能量。電子穿過半導(dǎo)體帶隙所需的能量決定了 LED 燈的顏色。

LED 的電性質(zhì)類似于標(biāo)準(zhǔn)二極管。與標(biāo)準(zhǔn)二極管一樣，務(wù)必不能在正向偏置模式下對其進行過驅(qū)動。過驅(qū)動的二極管會過熱，在最壞的情況下將會變成開路。當(dāng) LED 受到正向偏壓時，電流流過器件，并從陽極到陰極產(chǎn)生光和壓降(圖 1)。

圖 1：使用 20 毫安 (mA) 的正向電流時，各種顏色的 LED 顯示具有不同的正向電壓。

在圖 1 中，LED 的正向電壓隨顏色而變化(R = 紅色;O = 橙色;G = 綠色;Y = 黃色;B = 藍(lán)色;W = 白色)。通常，用 20 mA 的電流源激勵 LED，以測量并指定正向電壓值。雖然用電壓源驅(qū)動 LED 很吸引人，但是電壓源很難精確控制，這會冒著使器件過度驅(qū)動，從而導(dǎo)致過熱和過早失效的風(fēng)險。

并聯(lián)與串聯(lián) LED 配置

最流行的三種 LED 配置是并聯(lián)、串聯(lián)或二者的組合，但是在大多數(shù)情況下，建議使用電壓源和電阻器驅(qū)動 LED 以控制電流強度(圖 2)。

圖 2：三種 LED 驅(qū)動配置分別為并聯(lián) (A)、串聯(lián) (B) 和并聯(lián)與串聯(lián)組合 (C)。

并聯(lián) LED 燈串 (A) 必須具有相同的正向電壓規(guī)格，因此必須是相同顏色的 LED(參見圖 1)。即使在這種配置中，由于正向電壓的制造公差，LED 也不會平均分配電流。對于這種并聯(lián)配置，一個或多個 LED 可能會發(fā)生電流錯亂。LED 的亮度會因不同的正向電流/發(fā)光強度(會導(dǎo)致 LED 顯示不一致的因素)而異。

在并聯(lián)配置 (A) 中，RLED 值取決于預(yù)定供電電壓 (VLED)、LED 的標(biāo)稱正向電壓以及并聯(lián) LED 的數(shù)量，每個消耗約 20 mA 的電流。例如，RLED 等于 10 W，具有十個并聯(lián)的白色 LED(20 mA 下正向電壓約為 3.0 V)和 5 V 的 V LED。10 W 的 RLED 值使用公式 1 計算得出：

公式 1

其中 VLED = 供電電壓，按圖 2

N = LED 數(shù)量 = 10

I1 = 20 mA(注意：ILED = I1*N)

RLED = LED 偏置電阻

VX = 標(biāo)稱 LED 20 mA 壓降

在串聯(lián)配置 (B) 中，每個 LED 接收的電流相同，但具有不同的正向電壓。在此串聯(lián)配置中可以有多個顏色的 LED。在這種形式中，供電電壓等于各標(biāo)稱 LED 電壓之和，加上電阻 RLED 兩端的壓降。例如，如果該串聯(lián)配置中有十個紅色 LED(正向電壓約為 1.9 V)，通過 330 Ω 電阻的電流為 20 mA，則系統(tǒng)電壓 (VLED) 約為 25.6 V。在此配置中，一個 LED 發(fā)生故障或斷開會導(dǎo)致整個燈串失效。

并聯(lián)和串聯(lián) LED 組合 (C) 兼具兩種配置的優(yōu)勢。在這種配置中，串聯(lián)燈串中的 LED 更少。這降低了 VLED 的值。同樣，并聯(lián)的 LED 也會更少，這降低了電流錯亂的可能性。另一個好處是，這種配置意味著可將可編程電流輸出 DAC 用作經(jīng)濟實惠的激勵源，取代傳統(tǒng)的靜態(tài)電壓源。

可編程 LED 控制選項

并聯(lián) (A)、串聯(lián) (B) 和串聯(lián)/并聯(lián)組合 (C) 配置的 LED 驅(qū)動機制具有一個串聯(lián)電阻 RLED 和一個電壓源 VLED。在這三種配置中，正向電流降低(即 VLED 減小或 RLED 增大)將使 LED 變暗。電壓輸出 DAC 可為 VLED 提供可編程電壓;但是，所需的大電流可能會帶來問題。電壓輸出 DAC 通常無法提供 LED 所需的大電流，因此多數(shù)情況下需要使用功率放大器 (op amp)。

手動電位計或者更好的數(shù)字電位計，可以通過一定的功耗限制來代替 RLED，例如在電位計接近零歐姆時如何處理大電流。

為了避免與電壓輸出 DAC 和電位計相關(guān)的問題和復(fù)雜性，最簡潔的設(shè)計方法是改為使用電流輸出 DAC。

電流輸出 DAC 可為 LED 提供可編程的電流。該 DAC 的關(guān)鍵規(guī)格是為每個 LED 提供高分辨率 20 mA 電流的能力。在跨阻放大器 (TIA) 的輔助下，電流可編程性可用于調(diào)節(jié)所需的亮度(圖 3)。

可編程輸出電流 DAC 提供直接正向 LED 電流控制，TIA 提供亮度級別控制.

在圖 3 中，兩個 LED 以 20 mA 的激勵電流來獲取正向電壓電平。為了完成圖 3 中的 LED 系統(tǒng)，TIA 前端的光電二極管 (PD) 會感應(yīng) LED 的亮度。對于該系統(tǒng)，放大器要求低輸入偏置電流以避免與光電二極管電流 (IPD) 競爭，以及低輸入補償電壓以使 PD 兩端的壓降保持最小。

可編程亮度 LED 控制器的實現(xiàn)

可編程亮度 LED 控制器系統(tǒng)的實現(xiàn)需要精密的模擬微控制器(例如 Analog Devices 的 ADuCM320BBCZ)，以及 AD5770RBCBZ-RL7 電流輸出 DAC 和 ADA4625-1ARDZ-R7 運算放大器，兩者均來自 Analog Devices。

微控制器：

驅(qū)動 14 位 DAC 輸出電流值

將 TIA 的輸出電壓接收到板載 14 位模數(shù) (ADC) 轉(zhuǎn)換器中

執(zhí)行必要的計算以控制亮度

可編程 DAC 為 LED 提供準(zhǔn)確的輸出電流，而配置為 TIA 的運算放大器則通過光電二極管接收模擬 LED 亮度級。然后，TIA 將輸出電壓 (VOUT) 發(fā)送到微控制器的 ADC 輸入(圖 4)。

圖 4：該精密系統(tǒng)為 LED 提供可編程電流以控制亮度。(圖片來源：Digi-Key Electronics，使用 Analog Devices 的光電二極管電流設(shè)計向?qū)г诰€軟件生成)

電流量級利用反饋環(huán)路中的 TIA 獲得系統(tǒng)控制。ADA4625-1 運算放大器具有 15 皮安 (pA) 的輸入偏置電流(根據(jù)規(guī)格書)和 15 微伏 (mV) 的補償電壓，可提供寬 TIA 動態(tài)范圍。該動態(tài)范圍提供了高度的亮度靈活性，可將 LED 從最高亮度降低到完全熄滅的狀態(tài)。

系統(tǒng)設(shè)計人員可確定 LED 亮度的變化和范圍。例如，一個 14 位 DAC 可提供 214 或 16，384 個級別。對于這個具有 100 mA 滿量程輸出的 DAC，根據(jù)以下公式，最低有效位 (LSB) 大小為 6.1 微安 (mA)：

其中：

IDACxLSB = x 通道的電流 LSB 大小

IDACMAX = 額定最大通道電流

N = DAC 位數(shù)

使用 5.0 V 的供電電壓，六通道 AD5770R 可驅(qū)動兩個標(biāo)稱電流為 20 mA 的串聯(lián) LED。在此電路中，LED 電壓會獲取各自的正向電壓電平。

在圖 4 所示的電路中，每個輸出端口 (IDAC0-IDAC5) 的最大輸出電流可下調(diào)至標(biāo)稱值的 50%。這種靈活性使設(shè)計人員可以更好地匹配 LED 激勵電流。此外，這種操作還可降低 LSB 電流量級。

再回到圖 4，最大 IDAC2 電流為 55 mA，最大 IDAC5 電流為 45 mA(根據(jù)規(guī)格書)。如果 IDAC2 串中的 LED 是紅色 LED，則 IDAC2 引腳上的標(biāo)稱電壓為 1.9 V x 2，即 3.8 V，DAC 的 LSB 大小為 3.4 mA。

為了進一步提高系統(tǒng)精度，設(shè)計人員可使用外部參考或通過添加精密電阻代替 DAC 的片上參考發(fā)生器。

最后，AD5770R 具有多路復(fù)用片上診斷功能，使設(shè)計人員可以通過外部 ADC 監(jiān)視輸出順從電壓、輸出電流和內(nèi)部芯片溫度。

AD5770R 電流輸出 DAC 用低噪聲的受控可編程電流源來驅(qū)動兩個 LED 的燈串，該電流源的 IDAC2 和 IDAC5 輸出噪聲頻譜密度分別為 19 nA/√Hz 和 6 nA/√Hz。

總結(jié)

由于物理穩(wěn)健性、長壽命、低能耗、快速切換和小尺寸特征，LED 相比其他照明技術(shù)具有眾多優(yōu)勢。但是，盡管 LED 使用廣泛，但要精確有效地控制其輸出亮度仍然具有挑戰(zhàn)。

如上所述，使用 ADuCM320BBCZ 精密微控制器、14 位可編程高精度電流輸出 DAC AD5770 和 TIA 配置的 ADA4625-1 JFET 運算放大器，可以實現(xiàn)精密的 LED 亮度控制。這種組合可幫助設(shè)計人員滿足精確的 LED 亮度要求，并具有全面的診斷能力以監(jiān)控所有 LED 驅(qū)動器電流，同時提供調(diào)光控制。