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。考察了以微控制器作为系统所能采用的各种拓扑结构。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LED及其驱动
高亮度发光二极管(HI-LED)是一种半导体器件，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

图2 LED驱动器拓扑

图3 LED和开关电流

图4 脉宽调制

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：，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。例如，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，将需要：R=V/I，此时R = (5V-3.0V)/350mA = 5.7健?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，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。
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。
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。
当电流降至低电流阈值（如300mA）时，开关将导通，而当电流升至高电流阈值（如400mA）时，开关将断开。

图5 频率调制

图6 位角调制

此例中开关置于低端（该方法因此得名），实现方法非常简单。导通FET只需在其门极上加5V电压，这可以由微控制器的一个输出口直接提供。而且，这种拓扑不再需要恒定的VDD电压，即使输入电压在波动，也能维持调节电流。
电流感应电阻R必须位于电路的“高端”部分。如果把它连到MOSFET的源极，就只能测得开关导通时LED上电流，不能用来调节另一个阈值了，参见图3。
这种拓扑看起来像是升压转换器的前端，它具有使用N通道、低成本FET的优势，但需要在R两端进行电压差分测量，以获取流经LED的电流。
请注意开关实际上提供了两种功能：首先，它使得在电感器上产生可调节的电流；其次，它允许发光度调节。
采用高端开关
除了负载和晶体管交换位置，这个电路与前面的完全相同。图2E中显示的开关就位于“高端”。我们还把FET从N通道变成P通道。N通道FET要求VGS>5V以完全导通：在本拓扑中，N通道的源极电压会不断变化，而且经常在3伏以上，所以在门极上至少需要8伏的电压。这就需要一个类似充电泵的门驱动电路，使得整个电路有点更加复杂。如果就用一个P通道FET，而且又可以直接从微控制器的输出端为它提供-5V的VGS，那就简单多了。这种拓扑类似于降压转换器的前端。
它的主要优势是能直接在R的两端进行电流测量，因此不再需要差分测量的方法。

图7 基于微控制器的LED驱动器

亮度调节技术
有很多技术都可以对LED进行亮度调节，其中不少是技术。这里对其中几种进行简要介绍。在所有方法中，平均发光度都是通过以非常快的速度（避免闪烁）完全点亮（以其标称电流）再关闭LED获得的，而且与LED点亮时间的百分比成正比。
脉宽调制
这种技术采用周期为T的固定频率，如图4所示。亮度的调节通过改变脉冲宽度来实现。图4显示了三种不同的发光度级别，其占空比分别是6%、50%和94%。
频率调制
这种技术由Artistic Licence公布，它采用固定宽度控制脉冲的概念，如图5所示。脉冲A总是相同的宽度，发光度由脉冲A的重复间隔来控制。
位角调制
这是一项由Artistic Licence发明的新技术，它基于一串包含发光强度的二进制脉冲列。脉冲列中的每一位都按其位值的比例延展。如果位b0的持续时间为1，那么b1位的持续时间就为2，相应地，b2至b7位的持续时间就分别为4、8、16、32、64和128，如图6所示。

通信协议
DMX512
DMX512是由U.S.I.T.T（美国剧场技术研究所）公布的一项标准。该协议初用来控制照明调光器，现在已经延伸到控制灯具移动、幻灯片放映机和很多其它照明设施。DMX512运行在EIA-485标准上。数据在8位异步串行通信的基础上进行传输，1个开始位、2个停止位，且无奇偶校验。它具有256个亮度调节级别。
DALI (数字寻址照明接口)
DALI是为电子镇流器的通信所开发的一种标准，它作为附录包含在ECG标准IEC 929中。DALI被设计用于标准组件和简单布线，即低成本应用。
应用领域可能是调节灯光和预置不同照明环境的数值、根据日照的方向和节能因素等适当调节灯光设置。
DALI的基础是主-从原则：用户通过控制器（主机）对系统进行操作，控制器向所有镇流器（从机）发送包含地址和命令的消息。地址决定着镇流器是否应该听从指示。每个镇流器都是数字寻址的，因此它对电磁噪声并不敏感（优于模拟1-10伏调光器开关系统）。
ZigBee
ZigBee是由Home RF lite和IEEE 802.15.4规格结合而成的通信协议。ZigBee运行在2.4GHz和868/915MHz ISM波段内。由于它能以较低的成本得到低功耗，照明应用成为其主要市场之一。ZigBee提供的网络功能在照明系统中也非常有用，而且它还具有无线控制的优势。

采用微控制器的局限
电压和电流
如果VDD是LED和微控制器的共同电源，那么此电压就只能驱动一个LED。我们已经讨论过的简单拓扑不允许LED电压高于VDD，请参见图2和图7。若串联使用LED，则所有的LED有相同的电流，这是一个优点，但VDD必须更高，而且微控制器需要一个单独的电源。
基本设计思路为：
假定
1、VDD=5V，VF=3V
2、IF=350mA，低端/高端阈值为300mA/400mA。
电阻器 R
功率损耗：1/4W，因此R Imax2<0.25W
Imax=400mA，因此R<1.56?若压降为400mV，R设为1?电感器L
10%的误差（40mA）
有15祍不确定时间，V=L di/dt
L>(5V-3V)*15祍/40mA，所以L>750礖
支持通信的物理接口
微控制器只提供简单的同步（SPI）或异步（SCI）通信。要想实施DALI、DMX、LIN通信协议等，它还需要额外的硬件和软件。
恒流调节和开关速度
本应用中的关键参数就是开关速度。开关速度越慢，电感器越大，成本也就越高。大多数微控制器都可以在大约15微秒内完成A/D转换。加上一些比较读数和内部阈值的指令，现在，我们可以说一个完整的开关周期为30至40微秒，再加上15微秒的不确定时间。这个误差定义了基本设计电路的电感值。另外一个方案就是任意设置导通和关断的持续时间，然后根据实际情况重新调节这些值，去尝试并达到两个电流阈值。这种间接方案允许采用更小、成本更低的电感器，但是准确度较差。
调光和调制速度
在100%的发光度上无需调制晶体管。在另外一个极端，对的发光度级别（如1%）来说，需要将晶体管开启1%的时间。假设亮度调节必须在100 Hz或更高的频率上完成，以避免闪烁现象，则PWM频率必须是10 kHz或更高。但是肉眼在低发光度区间可以分辨出细微的变化，因此100级是远远不够的。如果需要4000级（12位分辨率），则PWM的频率必须达到400 kHz以上，这对一个简单微控制器来说几乎是不可能的。

未来展望
现在，我们已经看到设计一个基于微控制器的高亮度LED驱动器是多么简单。三个主要的局限在于处理速度和电感器的大小及调光分辨率的影响、具有行业标准的通信功能，以及对多输出和/或LED串的驱动能力。■