基于微控制器的LED驱动器拓扑、权衡和局限

　　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

　　采用线性电流源

　　加上一个晶体管和/或一个运算放大器，可以把电流非常精确地设置为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，图中我们用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。

　　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。

图3. LED和开关电流

　　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。