基于微控制器的LED驱动器拓扑、权衡和局限

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  本文主要探讨基于微控制器的LED驱动器。它考察了以微控制器作为系统核心所能采用的各种不同拓扑结构。它还详细讨论了各种拓扑的权衡,着重于它们的主要特性和局限:通讯、电压和电流容量、调光技术,以及开关速度等。

  高亮度发光二极管(HI-LED)是一种半导体设备,只允许电流按一个方向流动。它是由两种半导体材料结合后所形成的PN结构成的。高亮度LED与标准LED的差别在于它们的输出功率。传统LED的输出功率一般都限定在50毫瓦以内,而高亮度LED可达1-5瓦。

  图1显示了HI-LED内部电压与电流的典型关系。在正向电压 (VF)超出内部门槛电压前,HI-LED上几乎没有正向电流(IF)流过。如果VF进一步升高,曲线将以线性斜率突然快速上升,形成一个形似膝盖的曲线。

  LED的输出亮度与正向电流成正比,因此,如果IF未得到适当控制,输出亮度就可能出现无法接受的变化。另外,如果超过制造商规定的最大IF限制,还可能严重缩短LED的使用寿命。

  高亮度LED应该由电子驱动器进行控制,这些电子驱动器的主要功能是构成一个恒定的电流源。采用本文后面介绍的技术,这些电路可以提供发光度控制,在某些情况下还可以对温度变化进行补偿。

  为确保系统所提供色彩的一致性,HI-LED的制造商建议以恒定的标称电流的脉冲输出对LED进行亮度调节。

  

  简单拓扑及其权衡

  设计高亮度LED驱动器面临的挑战是构造一个控制良好的、可编程的、稳定的电流源,而且还有较高的效率。

  1、使用串联电阻器(线性法)

  调节电流的最简单方式就是加一个串联电阻器,如图2A所示。其优点在于成本低、实施简单,而且不会由于开关而产生噪音。不幸的是,这种拓扑有两个主要缺陷:第一,电阻器上的大量损耗导致系统效率降低;其次,它不能改变发光度。而且,这种方案需要用稳压源来得到恒定的电流。举个例子,如果我们假设VDD是5伏,而LED的VF是3.0伏,那么如果需要产生350毫安的恒定电流,您将需要:R=V/I,此时R=(5V-3.0V)/350mA=5.7Ω。
  

        可以看到,采用这些值,R将消耗R×I2即0.7瓦(几乎相当于LED的功率),因此总体效率就不可避免地低于50%。

  这种方法假定有恒定的VDD和恒定的VF。实际上,VF会随着温度的变化而变化,使得电流也发生变化。采用较高的VDD可以将由VF引起的总体电流变动降至最低,但是会在电阻器上产生巨大损耗,从而进一步降低效率。

  当我们构造了一个流过LED的恒定电流后,就需要找到某种方法来设置不同的发光度。我们知道这些LED总是需要以其标称电流来驱动的,所以我们可以用可编程的占空比来通断电流,从而实现对发光度的控制。这样就需要一个开关,如图2B所示。

  2、采用线性电流源

  加上一个晶体管和/或一个运算放大器,可以把电流非常精确地设置为350毫安。不幸的是,总体效率和R的功率损耗问题依旧。

  3、采用低端开关(开关模式法)

  图2C显示了这一概念。如图3所示,通过允许电感器L上的电流在开关导通时上升,在开关断开时下降,我们可以调节流经LED的电流。同任何感性负载一样,当开关断开时,我们需要为电流提供一条通路。这可以通过图2D中的续流二极管来实现,图中我们用N通道MOSFET来代替开关,并且加上电阻器R用以测量流经LED的电流。

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