基于微控制器的LED驱动器拓扑、权衡和局限

 

　　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。

　　什么是高亮度LED，它需要用什么来驱动?

　　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。

　　

 

　　图1. LED的电压与电流关系曲线

　　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。

　　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。

　　

 

　　图2. LED驱动器拓扑

　　

 

　　图3. LED和开关电流