基于微控制器的LED驅(qū)動器拓?fù)?、?quán)衡和局限

什么是高亮度LED，它需要用什么來驅(qū)動？

高亮度發(fā)光二極管(HI-LED)是一種半導(dǎo)體設(shè)備，只允許電流按一個(gè)方向流動。它是由兩種半導(dǎo)體材料結(jié)合后所形成的PN結(jié)構(gòu)成的。高亮度LED與標(biāo)準(zhǔn)LED的差別在于它們的輸出功率。傳統(tǒng)LED的輸出功率一般都限定在50毫瓦以內(nèi)，而高亮度LED可達(dá)1-5瓦。

圖1顯示了HI-LED內(nèi)部電壓與電流的典型關(guān)系。在正向電壓 (V_F)超出內(nèi)部門檻電壓前，HI-LED上幾乎沒有正向電流(I_F)流過。如果V_F進(jìn)一步升高，曲線將以線性斜率突然快速上升，形成一個(gè)形似膝蓋的曲線。

LED的輸出亮度與正向電流成正比，因此，如果I_F未得到適當(dāng)控制，輸出亮度就可能出現(xiàn)無法接受的變化。另外，如果超過制造商規(guī)定的最大I_F限制，還可能嚴(yán)重縮短LED的使用壽命。

高亮度LED應(yīng)該由電子驅(qū)動器進(jìn)行控制，這些電子驅(qū)動器的主要功能是構(gòu)成一個(gè)恒定的電流源。采用本文后面介紹的技術(shù)，這些電路可以提供發(fā)光度控制，在某些情況下還可以對溫度變化進(jìn)行補(bǔ)償。

為確保系統(tǒng)所提供色彩的一致性，HI-LED的制造商建議以恒定的標(biāo)稱電流的脈沖輸出對LED進(jìn)行亮度調(diào)節(jié)。

簡單拓?fù)浼捌錂?quán)衡

設(shè)計(jì)高亮度LED驅(qū)動器面臨的挑戰(zhàn)是構(gòu)造一個(gè)控制良好的、可編程的、穩(wěn)定的電流源，而且還有較高的效率。

1、使用串聯(lián)電阻器(線性法)

調(diào)節(jié)電流的最簡單方式就是加一個(gè)串聯(lián)電阻器，如圖2A所示。其優(yōu)點(diǎn)在于成本低、實(shí)施簡單，而且不會由于開關(guān)而產(chǎn)生噪音。不幸的是，這種拓?fù)溆袃蓚€(gè)主要缺陷：第一，電阻器上的大量損耗導(dǎo)致系統(tǒng)效率降低；其次，它不能改變發(fā)光度。而且，這種方案需要用穩(wěn)壓源來得到恒定的電流。舉個(gè)例子，如果我們假設(shè)V_DD是5伏，而LED的V_F是3.0伏，那么如果需要產(chǎn)生350毫安的恒定電流，您將需要：R=V/I，此時(shí)R=(5V-3.0V)/350mA=5.7Ω。

可以看到，采用這些值，R將消耗R×I²即0.7瓦(幾乎相當(dāng)于LED的功率)，因此總體效率就不可避免地低于50%。

這種方法假定有恒定的V_DD和恒定的V_F。實(shí)際上，V_F會隨著溫度的變化而變化，使得電流也發(fā)生變化。采用較高的V_DD可以將由V_F引起的總體電流變動降至最低，但是會在電阻器上產(chǎn)生巨大損耗，從而進(jìn)一步降低效率。

當(dāng)我們構(gòu)造了一個(gè)流過LED的恒定電流后，就需要找到某種方法來設(shè)置不同的發(fā)光度。我們知道這些LED總是需要以其標(biāo)稱電流來驅(qū)動的，所以我們可以用可編程的占空比來通斷電流，從而實(shí)現(xiàn)對發(fā)光度的控制。這樣就需要一個(gè)開關(guān)，如圖2B所示。

2、采用線性電流源

加上一個(gè)晶體管和/或一個(gè)運(yùn)算放大器，可以把電流非常精確地設(shè)置為350毫安。不幸的是，總體效率和R的功率損耗問題依舊。

3、采用低端開關(guān)(開關(guān)模式法)

圖2C顯示了這一概念。如圖3所示，通過允許電感器L上的電流在開關(guān)導(dǎo)通時(shí)上升，在開關(guān)斷開時(shí)下降，我們可以調(diào)節(jié)流經(jīng)LED的電流。同任何感性負(fù)載一樣，當(dāng)開關(guān)斷開時(shí)，我們需要為電流提供一條通路。這可以通過圖2D中的續(xù)流二極管來實(shí)現(xiàn)，圖中我們用N通道MOSFET來代替開關(guān)，并且加上電阻器R用以測量流經(jīng)LED的電流。

當(dāng)電流降至低電流閾值(如300mA)時(shí)，開關(guān)將導(dǎo)通，而當(dāng)電流升至高電流閾值(如400mA)時(shí)，開關(guān)將斷開。

此例中開關(guān)置于低端(該方法因此得名)，實(shí)現(xiàn)方法非常簡單。導(dǎo)通FET只需在其門極上加5V電壓，這可以由微控制器的一個(gè)輸出口直接提供。而且，這種拓?fù)洳辉傩枰愣ǖ腣_DD電壓，即使輸入電壓在波動，也能維持調(diào)節(jié)電流。

電流感應(yīng)電阻R必須位于電路的"高端"部分。如果把它連到MOSFET的源極，就只能測得開關(guān)導(dǎo)通時(shí)LED上電流，不能用來調(diào)節(jié)另一個(gè)閾值了，參見圖3。

這種拓?fù)淇雌饋硐袷巧龎恨D(zhuǎn)換器的前端，它具有使用N通道、低成本FET的優(yōu)勢，但需要在R兩端進(jìn)行電壓差分測量，以獲取流經(jīng)LED的電流。

請注意開關(guān)實(shí)際上提供了兩種功能：首先，它使得在電感器上產(chǎn)生可調(diào)節(jié)的電流；其次，它允許發(fā)光度調(diào)節(jié)。

4、采用高端開關(guān)

除了負(fù)載和晶體管交換位置，這個(gè)電路與前面的完全相同。圖2E中顯示的開關(guān)就位于“高端”。我們還把FET從N通道變成P通道。N通道FET要求V_GS>5V以完全導(dǎo)通：在本拓?fù)渲?，N通道的源極電壓會不斷變化，而且經(jīng)常在3伏以上，所以在門極上至少需要8伏的電壓。這就需要一個(gè)類似充電泵的門驅(qū)動電路，使得整個(gè)電路有點(diǎn)更加復(fù)雜。如果就用一個(gè)P通道FET，而且又可以直接從微控制器的輸出端為它提供-5V的V_GS，那就簡單多了。這種拓?fù)漕愃朴诮祲恨D(zhuǎn)換器的前端。

它的主要優(yōu)勢是能直接在R的兩端進(jìn)行電流測量，因此不再需要差分測量的方法。

亮度調(diào)節(jié)技術(shù)

有很多技術(shù)都可以對LED進(jìn)行亮度調(diào)節(jié)，其中不少是專利技術(shù)。這里對其中幾種進(jìn)行簡要介紹。在所有方法中，平均發(fā)光度都是通過以非常快的速度(避免閃爍)完全點(diǎn)亮(以其標(biāo)稱電流)再關(guān)閉LED獲得的，而且與LED點(diǎn)亮?xí)r間的百分比成正比。

1、脈寬調(diào)制

這種技術(shù)采用周期為T的固定頻率，如圖4所示。亮度的調(diào)節(jié)通過改變脈沖寬度來實(shí)現(xiàn)。圖4顯示了三種不同的發(fā)光度級別，其占空比分別是6%、50%和94%。

2、頻率調(diào)制

這種技術(shù)由Artistic Licence公布，它采用固定寬度控制脈沖的概念，如圖5所示。脈沖A總是相同的寬度，發(fā)光度由脈沖A的重復(fù)間隔來控制。

3、位角調(diào)制

這是一項(xiàng)由Artistic Licence發(fā)明的新技術(shù)，它基于一串包含發(fā)光強(qiáng)度的二進(jìn)制脈沖列。脈沖列中的每一位都按其位值的比例延展。如果最低位b0的持續(xù)時(shí)間為1，那么b1位的持續(xù)時(shí)間就為2，相應(yīng)地，b2至b7位的持續(xù)時(shí)間就分別為4、8、16、32、64和128，如圖6所示。

通信協(xié)議

1、DMX512

DMX512是由U.S.I.T.T(美國劇場技術(shù)研究所)公布的一項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)。該協(xié)議最初用來控制照明調(diào)光器，現(xiàn)在已經(jīng)延伸到控制燈具移動、幻燈片放映機(jī)和很多其它照明設(shè)施。DMX512運(yùn)行在EIA-485標(biāo)準(zhǔn)上。數(shù)據(jù)在8位異步串行通信的基礎(chǔ)上進(jìn)行傳輸，1個(gè)開始位、2個(gè)停止位，且無奇偶校驗(yàn)。它具有256個(gè)亮度調(diào)節(jié)級別。

2、DALI (數(shù)字尋址照明接口)

DALI是為電子鎮(zhèn)流器的通信所開發(fā)的一種標(biāo)準(zhǔn)，它作為附錄包含在ECG標(biāo)準(zhǔn)IEC 929中。DALI被設(shè)計(jì)用于標(biāo)準(zhǔn)組件和簡單布線，即低成本應(yīng)用。

應(yīng)用領(lǐng)域可能是調(diào)節(jié)燈光和預(yù)置不同照明環(huán)境的數(shù)值、根據(jù)日照的方向和節(jié)能因素等適當(dāng)調(diào)節(jié)燈光設(shè)置。

DALI的基礎(chǔ)是主-從原則：用戶通過控制器(主機(jī))對系統(tǒng)進(jìn)行操作，控制器向所有鎮(zhèn)流器(從機(jī))發(fā)送包含地址和命令的消息。地址決定著鎮(zhèn)流器是否應(yīng)該聽從指示。每個(gè)鎮(zhèn)流器都是數(shù)字尋址的，因此它對電磁噪聲并不敏感(優(yōu)于模擬1-10伏調(diào)光器開關(guān)系統(tǒng))。

3、ZIGBEE

Zigbee是由Home RF lite和IEEE 802.15.4規(guī)格結(jié)合而成的通信協(xié)議。Zigbee運(yùn)行在2.4GHz和868/915MHz ISM波段內(nèi)。由于它能以較低的成本得到低功耗，照明應(yīng)用成為其主要市場之一。Zigbee提供的網(wǎng)絡(luò)功能在照明系統(tǒng)中也非常有用，而且它還具有無線控制的優(yōu)勢。

采用微控制器的局限

1、電壓和電流

如果V_DD是LED和微控制器的共同電源，那么此電壓就只能驅(qū)動一個(gè)LED。我們已經(jīng)討論過的簡單拓?fù)?/strong>不允許LED電壓高于V_DD，請參見圖2和圖7。若串聯(lián)使用LED，則所有的LED有相同的電流，這是一個(gè)優(yōu)點(diǎn)，但V_DD必須更高，而且微控制器需要一個(gè)單獨(dú)的電源。

2、支持通信的物理接口

微控制器只提供簡單的同步(SPI)或異步(SCI)通信。要想實(shí)施DALI、DMX、LIN通信協(xié)議等，它還需要額外的硬件和軟件。

3、恒流調(diào)節(jié)和開關(guān)速度

本應(yīng)用中的關(guān)鍵參數(shù)就是開關(guān)速度。開關(guān)速度越慢，電感器越大，成本也就越高。大多數(shù)微控制器都可以在大約15微秒內(nèi)完成A/D轉(zhuǎn)換。加上一些比較讀數(shù)和內(nèi)部閾值的指令，現(xiàn)在，我們可以說一個(gè)完整的開關(guān)周期為30至40微秒，再加上15微秒的不確定時(shí)間。這個(gè)誤差定義了圖8中所示的最小電感值。另外一個(gè)方案就是任意設(shè)置導(dǎo)通和關(guān)斷的持續(xù)時(shí)間，然后根據(jù)實(shí)際情況重新調(diào)節(jié)這些值，去嘗試并達(dá)到兩個(gè)電流閾值。這種間接方案允許采用更小、成本更低的電感器，但是準(zhǔn)確度較差。

4、調(diào)光和調(diào)制速度

在100%的發(fā)光度上無需調(diào)制晶體管。在另外一個(gè)極端，對最低的發(fā)光度級別(如1%)來說，需要將晶體管開啟1%的時(shí)間。假設(shè)亮度調(diào)節(jié)必須在100 Hz或更高的頻率上完成，以避免閃爍現(xiàn)象，則PWM頻率必須是10 kHz或更高。但是肉眼在低發(fā)光度區(qū)間可以分辨出細(xì)微的變化，因此100級是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。如果需要4000級(12位分辨率)，則PWM的頻率必須達(dá)到400 kHz以上，這對一個(gè)簡單微控制器來說幾乎是不可能的。

未來展望

現(xiàn)在，我們已經(jīng)看到設(shè)計(jì)一個(gè)基于微控制器的高亮度LED驅(qū)動器是多么簡單。三個(gè)主要的局限在于處理速度和電感器的大小及調(diào)光分辨率的影響、具有行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的通信功能，以及對多輸出和/或LED串的驅(qū)動能力。