数模转换器/运算放大器精确控制LED的亮度方案

　　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。然而，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。

　　原因有很多，并且与每个 LED 波长的物理特性有关，但是仍可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，务必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 20 mA 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 20 mA 的电流。例如，RLED 等于 10 W，具有十个并联的白色 LED（20 mA 下正向电压约为 3.0 V）和 5 V 的 V LED。10 W 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 = 20 mA（注意：ILED = I1*N）

　　RLED = LED 偏置电阻

　　VX = 标称 LED 20 mA 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 1.9 V），通过 330 Ω 电阻的电流为 20 mA，则系统电压 （VLED） 约为 25.6 V。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 20 mA 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 20 mA 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 100 mA 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 5.0 V 的供电电压，六通道 AD5770R 可驱动两个标称电流为 20 mA 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 55 mA，最大 IDAC5 电流为 45 mA（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 1.9 V x 2，即 3.8 V，DAC 的 LSB 大小为 3.4 mA。

　　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 19 nA/√Hz 和 6 nA/√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。