实现精确的LED亮度控制难不难?有了这个方案,就不难!

实现精确的LED亮度控制难不难?有了这个方案,就不难!

作者:Digi-Key

关键词:LED,亮度,电路设计

发光二极管 (LED) 由于物理稳健性、长寿命、高效率、快速开关能力和小尺寸而广受欢迎。LED每瓦发出的流明数比白炽灯泡多,并且效率不受尺寸和形状的影响。但是,尽管LED得到了广泛的使用和技术支持,但是精确控制LED的亮度仍然是一个挑战。

虽然其中的原因有很多,并且与每个LED波长的物理特性有关,但是仍可通过使用正确的元器件和设计方法来实现精确的亮度控制。

本文简要讨论了与实现一致的LED亮度有关的问题。然后说明如何协同使用可编程14位电流输出数模转换器 (DAC)、运算放大器和精密模拟微控制器来精确控制LED的亮度。文中以来自Analog Devices的元器件为例。


LED阵列/应用

LED半导体是一种随着电流从阳极流向阴极而发光的光源。半导体电子与电子空穴重新结合,并以光子形式释放能量。电子穿过半导体带隙所需的能量决定了LED灯的颜色。

LED的电性质类似于标准二极管。与标准二极管一样,一定不能在正向偏置模式下对其进行过驱动。过驱动的二极管会过热,在最坏的情况下将会变成开路。当LED受到正向偏压时,电流流过器件,并从阳极到阴极产生光和压降(图1)。


图 1:使用 20毫安 (mA) 的正向电流时,各种颜色的 LED显示具有不同的正向电压。
(图片来源:Digi-Key Electronics)


在图1中,LED的正向电压随颜色而变化(R=红色;O=橙色;G=绿色;Y=黄色;B=蓝色;W=白色)。通常,用20mA的电流源激励LED,以测量并指定正向电压值。虽然用电压源驱动LED很吸引人,但是电压源很难精确控制,这会冒着使器件过度驱动,从而导致过热和过早失效的风险。



并联与串联LED配置

最流行的三种LED配置是并联、串联或二者的组合,但是在大多数情况下,建议使用电压源和电阻器驱动LED以控制电流强度(图2)。


图 2:三种 LED驱动配置分别为并联 (A)、串联 (B) 和并联与串联组合 (C)。
(图片来源:Digi-Key Electronics)


并联LED灯串 (A) 必须具有相同的正向电压规格,因此必须是相同颜色的LED(参见图 1)。即使在这种配置中,由于正向电压的制造公差,LED也不会平均分配电流。对于这种并联配置,一个或多个LED可能会发生电流错乱。LED的亮度会因不同的正向电流/发光强度(会导致LED显示不一致的因素)而异。

在并联配置 (A) 中,RLED值取决于预定供电电压 (VLED)、LED的标称正向电压以及并联LED的数量,每个消耗约20mA的电流。例如,RLED等于10W,具有十个并联的白色LED(20mA下正向电压约为3.0V)和5V的VLED。10W的RLED值使用公式1计算得出:


公式1

其中:
VLED = 供电电压,按图2
N = LED数量 = 10
I1 = 20mA(注意:ILED = I1*N)
RLED = LED偏置电阻
VX = 标称LED 20mA压降


在串联配置 (B) 中,每个LED接收的电流相同,但具有不同的正向电压。在此串联配置中可以有多个颜色的LED。在这种形式中,供电电压等于各标称LED电压之和,加上电阻RLED两端的压降。例如,如果该串联配置中有十个红色LED(正向电压约为1.9V),通过330Ω 电阻的电流为20mA,则系统电压 (VLED) 约为25.6V。在此配置中,一个LED发生故障或断开会导致整个灯串失效。

并联和串联LED组合 (C) 兼具两种配置的优势。在这种配置中,串联灯串中的LED更少。这降低了VLED的值。同样,并联的LED也会更少,这降低了电流错乱的可能性。另一个好处是,这种配置意味着可将可编程电流输出DAC用作经济实惠的激励源,取代传统的静态电压源。



可编程LED控制选项

在图2中,并联 (A)、串联 (B) 和串联/并联组合 (C) 配置的LED驱动机制具有一个串联电阻RLED和一个电压源VLED。在这三种配置中,正向电流降低(即VLED减小或RLED增大)将使LED变暗。电压输出DAC可为VLED提供可编程电压;但是,所需的大电流可能会带来问题。电压输出DAC通常无法提供LED所需的大电流,因此多数情况下需要使用功率放大器 (op amp)。

手动电位计或者更好的数字电位计,可以通过一定的功耗限制来代替RLED,例如在电位计接近零欧姆时如何处理大电流。

为了避免与电压输出DAC和电位计相关的问题和复杂性,最简洁的设计方法是改为使用电流输出DAC。

电流输出DAC可为LED提供可编程的电流。该DAC的关键规格是为每个LED提供高分辨率20mA电流的能力。在跨阻放大器 (TIA) 的辅助下,电流可编程性可用于调节所需的亮度(图3)。


图 3:可编程输出电流 DAC提供直接正向 LED电流控制,TIA提供亮度级别控制。(图片来源:Digi-Key Electronics)


在图3中,两个LED以20mA的激励电流来获取正向电压电平。为了完成图3中的LED系统,TIA前端的光电二极管 (PD) 会感应LED的亮度。对于该系统,放大器要求低输入偏置电流以避免与光电二极管电流 (IPD) 竞争,以及低输入补偿电压以使PD两端的压降保持最小。



可编程亮度LED控制器的实现

可编程亮度LED控制器系统的实现需要精密的模拟微控制器(例如Analog Devices的ADuCM320BBCZ),以及AD5770RBCBZ-RL7电流输出DAC和ADA4625-1ARDZ-R7运算放大器,两者均来自Analog Devices。

微控制器:

  • 驱动14位DAC输出电流值
  • 将TIA的输出电压接收到板载14位模数 (ADC) 转换器中
  • 执行必要的计算以控制亮度

可编程DAC为LED提供准确的输出电流,而配置为TIA的运算放大器则通过光电二极管接收模拟LED亮度级。然后,TIA将输出电压 (VOUT) 发送到微控制器的ADC输入(图4)。


图 4:该精密系统为 LED提供可编程电流以控制亮度。
(图片来源:Digi-Key Electronics,使用Analog Devices的光电二极管电流设计向导在线软件生成)


电流量级利用反馈环路中的TIA获得系统控制。ADA4625-1运算放大器具有15皮安 (pA) 的输入偏置电流(根据规格书)和15微伏 (mV) 的补偿电压,可提供宽TIA动态范围。该动态范围提供了高度的亮度灵活性,可将LED从最高亮度降低到完全熄灭的状态。

系统设计人员可确定LED亮度的变化和范围。例如,一个14位DAC可提供214或16,384个级别。对于这个具有100mA满量程输出的DAC,根据以下公式,最低有效位 (LSB) 大小为6.1微安 (mA):


其中:
IDACxLSB = x通道的电流LSB大小
IDACMAX = 额定最大通道电流
N = DAC位数

使用5.0V的供电电压,六通道AD5770R可驱动两个标称电流为20mA的串联LED。在此电路中,LED电压会获取各自的正向电压电平。

在图4所示的电路中,每个输出端口 (IDAC0-IDAC5) 的最大输出电流可下调至标称值的50%。这种灵活性使设计人员可以更好地匹配LED激励电流。此外,这种操作还可降低LSB电流量级。

再回到图4,最大IDAC2电流为55mA,最大IDAC5电流为45mA(根据规格书)。如果IDAC2串中的LED是红色LED,则IDAC2引脚上的标称电压为1.9V x 2,即3.8V,DAC的LSB大小为3.4mA。

为了进一步提高系统精度,设计人员可使用外部参考或通过添加精密电阻代替DAC的片上参考发生器。

最后,AD5770R具有多路复用片上诊断功能,使设计人员可以通过外部ADC监视输出顺从电压、输出电流和内部芯片温度。

AD5770R电流输出DAC用低噪声的受控可编程电流源来驱动两个LED的灯串,该电流源的IDAC2和IDAC5输出噪声频谱密度分别为19nA/√Hz和6nA/√Hz。



总结

由于物理稳健性、长寿命、低能耗、快速切换和小尺寸特征,LED相比其他照明技术具有众多优势。但是,尽管LED使用广泛,但要精确有效地控制其输出亮度仍然具有挑战。

如上所述,使用ADuCM320BBCZ精密微控制器、14位可编程高精度电流输出DAC AD5770和TIA配置的ADA4625-1 JFET运算放大器,可以实现精密的LED亮度控制。这种组合可帮助设计人员满足精确的LED亮度要求,并具有全面的诊断能力以监控所有LED驱动器电流,同时提供调光控制。



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