基于模擬技術(shù)的LED亮度調(diào)節(jié)方案

使用LED型固態(tài)照明(SSL)的便攜式設(shè)備要求使用高效驅(qū)動(dòng)電路來延長電池使用時(shí)間，同時(shí)還要求使用一些亮度調(diào)節(jié)方法來對(duì)光線輸出進(jìn)行調(diào)節(jié)，以適應(yīng)周圍的照明環(huán)境。在諸如智能手機(jī)或者便攜式GPS導(dǎo)航系統(tǒng)背光照明等應(yīng)用中，必須使用LED亮度調(diào)節(jié)，目的是讓用戶在強(qiáng)太陽光和夜晚弱光條件下都能看清楚屏幕。使用手電筒時(shí)，用戶認(rèn)為較長的電池使用時(shí)間更加重要，而非提供最強(qiáng)的光線照明。我們可以在這些應(yīng)用中使用模擬亮度調(diào)節(jié)或者脈寬調(diào)制(PWM)亮度調(diào)節(jié)方法。模擬設(shè)計(jì)通過使用一種創(chuàng)新方法來建立起一個(gè)參考電壓，從而獲得比PWM型設(shè)計(jì)更高的效率。

模擬和PWM亮度調(diào)節(jié)方法都對(duì)LED驅(qū)動(dòng)電流進(jìn)行控制，而該電流同光線輸出成正比關(guān)系。模擬亮度調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)簡單，控制功耗最低，并且一般比PWM亮度調(diào)節(jié)方法要高效，原因是低驅(qū)動(dòng)電流時(shí)LED正向電壓更低。

但是，模擬亮度調(diào)節(jié)要求通過一個(gè)單獨(dú)的電壓基準(zhǔn)生成模擬電壓(可能會(huì)對(duì)某個(gè)方波輸入信號(hào)使用RC濾波器輸出，或者使用一個(gè)昂貴的數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC))。圖1所示電路通過修改一個(gè)電位計(jì)，沒有了這些方法的復(fù)雜性，從而實(shí)現(xiàn)了一種簡單、高成本效益的模擬亮度調(diào)節(jié)方法。這種整體解決方案，是一種高效、低成本、低組件數(shù)目的LED驅(qū)動(dòng)器，適用于單個(gè)高電流LED，例如：歐司朗的金龍(Golden Dragon)等，可用于一些小型電池供電型設(shè)備。

電路運(yùn)行情況

圖1、電位計(jì)R1實(shí)現(xiàn)的模擬亮度調(diào)節(jié)LED驅(qū)動(dòng)器

電路要求使用一個(gè)電壓調(diào)節(jié)、同步、降壓轉(zhuǎn)換器，通過一個(gè)17V電源提供高達(dá)1A的輸出電流，例如：TPS62150。圖1中，這種降壓轉(zhuǎn)換器使用反饋(FB)引腳來控制檢測電阻R2的電壓，對(duì)LED的電流進(jìn)行調(diào)節(jié)。FB電壓由一個(gè)精確內(nèi)部參考電壓(一般為0.8V)和一個(gè)SS/TR(慢啟動(dòng)與追蹤)外部輸入引腳共同控制。

SS/TR引腳電壓低于1.25V時(shí)，F(xiàn)B引腳電壓等于SS/TR引腳電壓乘以0.64，即VFB = 0.64 * VSS/TR。通過控制FB電壓，進(jìn)而控制R2的電壓，IC可改變驅(qū)動(dòng)LED的電流大小。

SS/TR引腳有一個(gè)嵌入式電流源，其一般為2.5 μA。該電源常用于對(duì)電容器充電，并形成平順、線性的SS/TR引腳電壓上升。典型降壓轉(zhuǎn)換器中，這會(huì)使輸出電壓線性、受控地上升，同時(shí)也減少了輸入電源的突入電流。使用這種設(shè)計(jì)時(shí)，一個(gè)接地電阻在SS/TR引腳上產(chǎn)生恒定電壓。

一個(gè)電位計(jì)放置于SS/TR引腳上，目的是將該引腳的電壓保持在250mV(電位計(jì)=100 kΩ)和0V(電位計(jì)=0Ω)之間?；仡櫳鲜龇匠淌?，它意味著FB引腳電壓范圍在160 mV和0V之間。R2為一個(gè)0.15Ω電阻器時(shí)，LED電流變化范圍為1.07A-0A。由于FB引腳電壓與SS/TR引腳電壓線性相關(guān)，因此電位計(jì)可提供如圖2所示線性模擬亮度調(diào)節(jié)。

圖2、圖1所示電路的亮度調(diào)節(jié)線性情況，其使用一個(gè)電位計(jì)實(shí)現(xiàn)亮度調(diào)節(jié)。

這種電路擁有非常高的效率，因?yàn)镕B引腳電壓的值相對(duì)較低。這種低電壓可降低檢測電阻R2的功耗。另外，TPS62150在輕載電流條件下使用節(jié)能模式，以在大多數(shù)負(fù)載范圍保持較高的效率。圖3顯示了圖1所示電路的效率，其使用一個(gè)12V輸入，并且在開關(guān)輸出過程中使用TDK的VLF3012ST-2R2電感器。

我們可以提高這種電路的效率，但代價(jià)是增加電路尺寸。例如，你可以將FSW(開關(guān)頻率)控制引腳連接輸出電壓，從而降低工作頻率，并且(或者)選擇一個(gè)低DCR(DC電阻)及(或)擁有更佳AC損耗特性的電感器。盡管實(shí)現(xiàn)這兩種方法可能需要更多的電路板面積，但卻可以達(dá)到90%以上的效率。盡管其效率并非最高，但圖1所示設(shè)計(jì)卻擁有較小的解決方案尺寸和較好的工作效率。

電路局限性

由于這種電路使用一個(gè)非精確模擬輸入(一種手動(dòng)調(diào)節(jié)電位計(jì))來調(diào)節(jié)LED電流，因此檢測電阻、電位計(jì)電阻和SS/TR引腳電流的容差以及其對(duì)LED亮度的影響程度，都不那么重要。如果LED太亮，用戶只需調(diào)低電位計(jì)電阻便可。如果太暗，只需調(diào)高電位計(jì)電阻。使用一個(gè)多向調(diào)節(jié)電位計(jì)時(shí)，我們可以有效地控制LED亮度，用于許多一般應(yīng)用，例如：手電筒和背光等。

這種設(shè)計(jì)存在的一個(gè)缺點(diǎn)是SS/TR引腳和FB引腳電壓之間的補(bǔ)償。SS/TR引腳被拉低至0V時(shí)，通過減小電位計(jì)電阻，仍然可以有50mA的電流流過LED。因此，LED無法完全關(guān)閉，除非你增加一個(gè)帶有上拉電阻器的接地開關(guān)，其連接至EN(激活)引腳。

其他模擬亮度調(diào)節(jié)方法

本文所述使用電位計(jì)電路的優(yōu)點(diǎn)是其簡易性和高成本效益。模擬亮度調(diào)節(jié)要求的模擬電壓由IC的一個(gè)精確電流源產(chǎn)生，之后通過一個(gè)用戶調(diào)節(jié)型電阻器轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的光輸出。除這種電位計(jì)以外，無需再使用任何其他組件。亮度調(diào)節(jié)的輸入即電位計(jì)，是唯一需要的組件。

圖3、圖1所示電路在亮度調(diào)節(jié)范圍的效率。

如果沒有這種精確電流源，我們需要考慮使用其他方法來產(chǎn)生模擬亮度調(diào)節(jié)所需的模擬電壓。一些傳統(tǒng)方法包括：使用一個(gè)獨(dú)立參考電壓IC，產(chǎn)生精確模擬電壓;通過一個(gè)RC濾波器改變微控制器PWM輸出的占空因數(shù)來產(chǎn)生精確模擬電壓;或者使用一個(gè)帶DAC的微控制器來產(chǎn)生精確模擬電壓。所有這些方法都要求用戶輸入來改變光輸出。使用參考電壓IC時(shí)，仍然要求使用一個(gè)電位計(jì)作為IC的輸入，以調(diào)節(jié)電壓和控制光輸出。基準(zhǔn)IC方法的成本比本文重點(diǎn)介紹的簡易方法要高。

最后兩種方法要求使用一個(gè)微控制器，同樣也增加了解決方案的成本。盡管智能手機(jī)和GPS系統(tǒng)都包含有一顆微控制器，但一般的手電筒卻沒有。具體使用哪種方法，取決于你手邊的應(yīng)用，因?yàn)槟承┊a(chǎn)品需要更友好的用戶界面(可能使用觸摸屏控制)。

第三種方法使用一個(gè)更大且更昂貴的DAC來代替電位計(jì)。DAC具有更好的輸出模擬電壓間隔尺寸，因此其光輸出控制也比電位計(jì)更加精確。具體的應(yīng)用決定了這種高昂的代價(jià)是否值得。

在降壓轉(zhuǎn)換器的SS/TR引腳上使用電位計(jì)是一種簡單、小巧且低成本的方法，可為背光和手電筒照明等應(yīng)用的高電流LED提供線性的模擬亮度調(diào)節(jié)。使用模擬亮度調(diào)節(jié)時(shí)，使用一個(gè)12V輸入電源可在大多數(shù)亮度調(diào)節(jié)范圍保持85%左右的效率。整套電路僅要求6個(gè)組件加上大功率LED。