發(fā)光二極管 （LED） 由于物理穩(wěn)健性、長壽命、高效率、快速開關(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)方法來實(shí)現(xiàn)精確的亮度控制。

　　本文簡要討論了與實(shí)現(xiàn)一致的 LED 亮度有關(guān)的問題。然后說明如何協(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精確控制 LED 的亮度。文中以來自 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其進(jìn)行過驅(qū)動。過驅(qū)動的二極管會過熱，在最壞的情況下將會變成開路。當(dāng) LED 受到正向偏壓時(shí)，電流流過器件，并從陽極到陰極產(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。（圖片來源：Digi-Key Electronics）

　　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，以測量并指定正向電壓值。雖然用電壓源驅(qū)動 LED 很吸引人，但是電壓源很難精確控制，這會冒著使器件過度驅(qū)動，從而導(dǎo)致過熱和過早失效的風(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 LED 以控制電流強(qiáng)度（圖 2）。

圖 2：三種 LED 驅(qū)動配置分別為并聯(lián) （A）、串聯(lián) （B） 和并聯(lián)與串聯(lián)組合 （C）。（圖片來源：Digi-Key Electronics）

　　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 也不會平均分配電流。對于這種并聯(lián)配置，一個(gè)或多個(gè) LED 可能會發(fā)生電流錯(cuò)亂。LED 的亮度會因不同的正向電流/發(fā)光強(qiáng)度（會導(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 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)生故障或斷開會導(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。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)

　　在圖 2 中，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帶來問題。電壓輸出 DAC 通常無法提供 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）。

　　手動電位計(jì)或者更好的數(shù)字電位計(jì)，可以通過一定的功耗限制來代替 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)的問題和復(fù)雜性，最簡潔的設(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）。

圖 3：可編程輸出電流 DAC 提供直接正向 LED 電流控制，TIA 提供亮度級別控制。（圖片來源：Digi-Key Electronics）

　　在圖 3 中，兩個(gè) LED 以 20 mA 的激勵(lì)電流來獲取正向電壓電平。為了完成圖 3 中的 LED 系統(tǒng)，TIA 前端的光電二極管 （PD） 會感應(yīng) LED 的亮度。對于該系統(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） 競爭，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，兩者均來自 Analog Devices。

　　微控制器：

　　驅(qū)動 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)算放大器則通過光電二極管接收模擬 LED 亮度級。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）和 15 微伏 （mV） 的補(bǔ)償電壓，可提供寬 TIA 動態(tài)范圍。該動態(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)級別。對于這個(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。

　　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）。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驅(qū)動兩個(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。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)動器電流，同時(shí)提供調(diào)光控制。