基于微控制器的LED驅(qū)動器拓撲、權衡和局限

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)是一種半導體設備，只允許電流按一個方向流動。它是由兩種半導體材料結合后所形成的PN結構成的。高亮度LED與標準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1-5瓦。

圖1顯示了HI-LED內(nèi)部電壓與電流的典型關系。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進一步升高，曲線將以線性斜率突然快速上升，形成一個形似膝蓋的曲線。

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，還可能嚴重縮短LED的使用壽命。

高亮度LED應該由電子驅(qū)動器進行控制，這些電子驅(qū)動器的主要功能是構成一個恒定的電流源。采用本文后面介紹的技術，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行補償。

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稱電流的脈沖輸出對LED進行亮度調(diào)節(jié)。

簡單拓撲及其權衡

設計高亮度LED驅(qū)動器面臨的挑戰(zhàn)是構造一個控制良好的、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串聯(lián)電阻器，如圖2A所示。其優(yōu)點在于成本低、實施簡單，而且不會由于開關而產(chǎn)生噪音。不幸的是，這種拓撲有兩個主要缺陷：第一，電阻器上的大量損耗導致系統(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。舉個例子，如果我們假設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，從而進一步降低效率。

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

2、采用線性電流源

加上一個晶體管和/或一個運算放大器，可以把電流非常精確地設置為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(開關模式法)

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

當電流降至低電流閾值(如300mA)時，開關將導通，而當電流升至高電流閾值(如400mA)時，開關將斷開。

此例中開關置于低端(該方法因此得名)，實現(xiàn)方法非常簡單。導通FET只需在其門極上加5V電壓，這可以由微控制器的一個輸出口直接提供。而且，這種拓撲不再需要恒定的V_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，就只能測得開關導通時LED上電流，不能用來調(diào)節(jié)另一個閾值了，參見圖3。

這種拓撲看起來像是升壓轉(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兩端進行電壓差分測量，以獲取流經(jīng)LED的電流。

請注意開關實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

除了負載和晶體管交換位置，這個電路與前面的完全相同。圖2E中顯示的開關就位于“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以完全導通：在本拓撲中，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。這就需要一個類似充電泵的門驅(qū)動電路，使得整個電路有點更加復雜。如果就用一個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。這種拓撲類似于降壓轉(zhuǎn)換器的前端。

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

亮度調(diào)節(jié)技術

有很多技術都可以對LED進行亮度調(diào)節(jié)，其中不少是專利技術。這里對其中幾種進行簡要介紹。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)完全點亮(以其標稱電流)再關閉LED獲得的，而且與LED點亮時間的百分比成正比。

1、脈寬調(diào)制

這種技術采用周期為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的重復間隔來控制。

3、位角調(diào)制

這是一項由Artistic Licence發(fā)明的新技術，它基于一串包含發(fā)光強度的二進制脈沖列。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)時間為1，那么b1位的持續(xù)時間就為2，相應地，b2至b7位的持續(xù)時間就分別為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(美國劇場技術研究所)公布的一項標準。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、幻燈片放映機和很多其它照明設施。DMX512運行在EIA-485標準上。數(shù)據(jù)在8位異步串行通信的基礎上進行傳輸，1個開始位、2個停止位，且無奇偶校驗。它具有256個亮度調(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)的一種標準，它作為附錄包含在ECG標準IEC 929中。DALI被設計用于標準組件和簡單布線，即低成本應用。

應用領域可能是調(diào)節(jié)燈光和預置不同照明環(huán)境的數(shù)值、根據(jù)日照的方向和節(jié)能因素等適當調(diào)節(jié)燈光設置。

DALI的基礎是主-從原則：用戶通過控制器(主機)對系統(tǒng)進行操作，控制器向所有鎮(zhèn)流器(從機)發(fā)送包含地址和命令的消息。地址決定著鎮(zhèn)流器是否應該聽從指示。每個鎮(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)光器開關系統(tǒng))。

3、ZIGBEE

Zigbee是由Home RF lite和IEEE 802.15.4規(guī)格結合而成的通信協(xié)議。Zigbee運行在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，照明應用成為其主要市場之一。Zigbee提供的網(wǎng)絡功能在照明系統(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LED。我們已經(jīng)討論過的簡單拓撲不允許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，這是一個優(yōu)點，但V_DD必須更高，而且微控制器需要一個單獨的電源。

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)和開關速度

本應用中的關鍵參數(shù)就是開關速度。開關速度越慢，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，我們可以說一個完整的開關周期為30至40微秒，再加上15微秒的不確定時間。這個誤差定義了圖8中所示的最小電感值。另外一個方案就是任意設置導通和關斷的持續(xù)時間，然后根據(jù)實際情況重新調(diào)節(jié)這些值，去嘗試并達到兩個電流閾值。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%的時間。假設亮度調(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)間可以分辨出細微的變化，因此100級是遠遠不夠的。如果需要4000級(12位分辨率)，則PWM的頻率必須達到400 kHz以上，這對一個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)看到設計一個基于微控制器的高亮度LED驅(qū)動器是多么簡單。三個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)標準的通信功能，以及對多輸出和/或LED串的驅(qū)動能力。