本文主要探討基于微控制器的LED驅(qū)動(dòng)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?fù)浣Y(jié)構(gòu)。它還詳細(xì)討論了各種拓?fù)涞臋?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(dòng),？
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(dòng)。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 (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(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(yán)重縮短LED的使用壽命,。
高亮度LED應(yīng)該由電子驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行控制，這些電子驅(qū)動(dòng)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(duì)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(duì)LED進(jìn)行亮度調(diào)節(jié)。
簡(jiǎn)單拓?fù)浼捌錂?quán)衡
設(shè)計(jì)高亮度LED驅(qū)動(dòng)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(jiǎn)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(jiǎn)單，而且不會(huì)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)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(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VDD和恒定的VF。實(shí)際上,，VF會(huì)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(dòng)降至最低,，但是會(huì)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(dòng)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(duì)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(cè)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(jiǎn)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(dòng),，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(cè)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(shì),，但需要在R兩端進(jìn)行電壓差分測(cè)量，以獲取流經(jīng)LED的電流,。
請(qǐng)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VGS>5V以完全導(dǎo)通：在本拓?fù)渲?，N通道的源極電壓會(huì)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(dòng)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VGS,，那就簡(jiǎn)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(shì)是能直接在R的兩端進(jìn)行電流測(cè)量,，因此不再需要差分測(cè)量的方法。
亮度調(diào)節(jié)技術(shù)
有很多技術(shù)都可以對(duì)LED進(jìn)行亮度調(diào)節(jié),，其中不少是專利技術(shù),。這里對(duì)其中幾種進(jìn)行簡(jiǎn)要介紹。在所有方法中,，平均發(fā)光度都是通過以非?？斓乃俣?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(jí)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(guó)劇場(chǎng)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(dòng)、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(jí)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(jiǎn)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(duì)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(duì)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(chǎng)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(shì)。
采用微控制器的局限
1,、電壓和電流
如果VDD是LED和微控制器的共同電源,，那么此電壓就只能驅(qū)動(dòng)一個(gè)LED。我們已經(jīng)討論過的簡(jiǎn)單拓?fù)洳辉试SLED電壓高于VDD,，請(qǐng)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VDD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(jiǎn)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(duì)最低的發(fā)光度級(jí)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(jí)是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。如果需要4000級(jí)(12位分辨率),，則PWM的頻率必須達(dá)到400 kHz以上,，這對(duì)一個(gè)簡(jiǎn)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(dòng)器是多么簡(jiǎn)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(duì)多輸出和/或LED串的驅(qū)動(dòng)能力,。