基于微控制器的LED驱动器拓扑

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1、基于微控制器的LED驱动器拓扑、权衡和局限作者：Ped「oPachuca,8位纵向市场开发工程师/RodBorras,模拟高级市场开发工程师飞思卡尔半导体公司木文主耍探讨基于微控制器的LED驱动器。它考察了以微控制器作为系统核心所能采用的各种不同拓扑结构。它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。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。

2、高亮度LED与标准LED的弟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1-5Eo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±儿乎没冇正向电流(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。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，如果超过制遇商规定的最大If限制，还可能严重缩短LED的使用寿命。面亮度LED应该由电子驱动器

3、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。釆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扁亮度LED驱动器而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

4、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。举个例了，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二V/I,此时R=（5V-3.0V）/350mA=5.7Q。可以看到，采用这些值，R将消耗RxF即0.7瓦（儿乎相当于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

5、起的总体电流变动降至最低，但是会在电阻器上产生巨人损耗，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。DDVDDVVDD上VDD廿图2.LED驱动器拓扑LED电流开关八开关111、t开关电流L^lL图3.LED和开关电流采用线性电流源加上一个晶体管和/或一个运算放人器，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

6、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

7、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

8、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：在木拓扑中，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-