基于微控制器的LED驅(qū)動器拓撲、權(quán)衡和局限

　　本文主要探討基于微控制器的LED驅(qū)動器。它考察了以微控制器作為系統(tǒng)核心所能采用的各種不同拓撲結(jié)構(gòu)。它還詳細討論了各種拓撲的權(quán)衡，著重于它們的主要特性和局限：通訊、電壓和電流容量、調(diào)光技術(shù)，以及開關(guān)速度等。

　　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(guān)系。在正向電壓 (VF)超出內(nèi)部門檻電壓前，HI-LED上幾乎沒有正向電流(IF)流過。如果VF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IF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IF限制，還可能嚴重縮短LED的使用壽命。

　　高亮度LED應(yīng)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(gòu)成一個恒定的電流源。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(quán)衡

　　設(shè)計高亮度LED驅(qū)動器面臨的挑戰(zhàn)是構(gòu)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(guān)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(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。舉個例子，如果我們假設(shè)VDD是5伏，而LED的VF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(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VDD和恒定的VF。實際上，VF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VDD可以將由VF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(dāng)我們構(gòu)造了一個流過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(guān)，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(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)通時上升，在開關(guān)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(dāng)開關(guān)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(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，開關(guān)將導(dǎo)通，而當(dāng)電流升至高電流閾值(如400mA)時，開關(guān)將斷開。

　　此例中開關(guān)置于低端(該方法因此得名)，實現(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輸出口直接提供。而且，這種拓撲不再需要恒定的VDD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(guān)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)。