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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