發(fā)光二極管 (LED) 由于物理穩(wěn)健性、長(zhǎng)壽命、高效率、快速開(kāi)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(gè)挑戰(zhàn)。

原因有很多，并且與每個(gè) LED 波長(zhǎng)的物理特性有關(guān)，但是仍可使用正確的元器件和設(shè)計(jì)方法來(lái)實(shí)現(xiàn)精確的亮度控制。

本文簡(jiǎn)要討論了與實(shí)現(xiàn)一致的 LED 亮度有關(guān)的問(wèn)題。然后說(shuō)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(yùn)算放大器和精密模擬微控制器來(lái)精確控制 LED 的亮度。文中以來(lái)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(yáng)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(guò)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(duì)其進(jìn)行過(guò)驅(qū)動(dòng)。過(guò)驅(qū)動(dòng)的二極管會(huì)過(guò)熱，在最壞的情況下將會(huì)變成開(kāi)路。當(dāng) LED 受到正向偏壓時(shí)，電流流過(guò)器件，并從陽(yáng)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(shí)，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(lì) LED，以測(cè)量并指定正向電壓值。雖然用電壓源驅(qū)動(dòng) LED 很吸引人，但是電壓源很難精確控制，這會(huì)冒著使器件過(guò)度驅(qū)動(dòng)，從而導(dǎo)致過(guò)熱和過(guò)早失效的風(fēng)險(xiǎn)。

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(dòng) LED 以控制電流強(qiáng)度(圖 2)。

圖 2：三種 LED 驅(qū)動(dòng)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(jiàn)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(huì)平均分配電流。對(duì)于這種并聯(lián)配置，一個(gè)或多個(gè) LED 可能會(huì)發(fā)生電流錯(cuò)亂。LED 的亮度會(huì)因不同的正向電流/發(fā)光強(qiáng)度(會(huì)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(gè)消耗約 20 mA 的電流。例如，RLED 等于 10 W，具有十個(gè)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(jì)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(gè) 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(gè)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(gè)紅色 LED(正向電壓約為 1.9 V)，通過(guò) 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(gè) LED 發(fā)生故障或斷開(kāi)會(huì)導(dǎo)致整個(gè)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(shì)。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(huì)更少，這降低了電流錯(cuò)亂的可能性。另一個(gè)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(jì)實(shí)惠的激勵(lì)源，取代傳統(tǒng)的靜態(tài)電壓源。

可編程 LED 控制選項(xiàng)

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(dòng)機(jī)制具有一個(gè)串聯(lián)電阻 RLED 和一個(gè)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(huì)帶來(lái)問(wèn)題。電壓輸出 DAC 通常無(wú)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(dòng)電位計(jì)或者更好的數(shù)字電位計(jì)，可以通過(guò)一定的功耗限制來(lái)代替 RLED，例如在電位計(jì)接近零歐姆時(shí)如何處理大電流。

為了避免與電壓輸出 DAC 和電位計(jì)相關(guān)的問(wèn)題和復(fù)雜性，最簡(jiǎn)潔的設(shè)計(jì)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(gè) 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(jí)別控制.

在圖 3 中，兩個(gè) LED 以 20 mA 的激勵(lì)電流來(lái)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(huì)感應(yīng) LED 的亮度。對(duì)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(jìng)爭(zhēng)，以及低輸入補(bǔ)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(shí)現(xiàn)

可編程亮度 LED 控制器系統(tǒng)的實(shí)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(yùn)算放大器，兩者均來(lái)自 Analog Devices。

微控制器：

驅(qū)動(dòng) 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(jì)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(yùn)算放大器則通過(guò)光電二極管接收模擬 LED 亮度級(jí)。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(lái)源：Digi-Key Electronics，使用 Analog Devices 的光電二極管電流設(shè)計(jì)向?qū)г诰€軟件生成)

電流量級(jí)利用反饋環(huán)路中的 TIA 獲得系統(tǒng)控制。ADA4625-1 運(yùn)算放大器具有 15 皮安 (pA) 的輸入偏置電流(根據(jù)規(guī)格書(shū))和 15 微伏 (mV) 的補(bǔ)償電壓，可提供寬 TIA 動(dòng)態(tài)范圍。該動(dòng)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(jì)人員可確定 LED 亮度的變化和范圍。例如，一個(gè) 14 位 DAC 可提供 214 或 16，384 個(gè)級(jí)別。對(duì)于這個(gè)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(dòng)兩個(gè)標(biāo)稱電流為 20 mA 的串聯(lián) LED。在此電路中，LED 電壓會(huì)獲取各自的正向電壓電平。

在圖 4 所示的電路中，每個(gè)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(jì)人員可以更好地匹配 LED 激勵(lì)電流。此外，這種操作還可降低 LSB 電流量級(jí)。

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(shū))。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(jìn)一步提高系統(tǒng)精度，設(shè)計(jì)人員可使用外部參考或通過(guò)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(jì)人員可以通過(guò)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(lái)驅(qū)動(dòng)兩個(gè) 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(zhǎng)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(shì)。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(yùn)算放大器，可以實(shí)現(xiàn)精密的 LED 亮度控制。這種組合可幫助設(shè)計(jì)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(dòng)器電流，同時(shí)提供調(diào)光控制。