控制多个LED的功率及成本

控制多个LED的功率及成本

作者：Brant Johnson，德州仪器公司

在此提供了一个兼具功效及成本效益的方法以实现对LED灯的控制。

在传统的方法中，针对每一LED均配备了专用的脉宽调制(PWM)控制器以控制至多个LED的输出，并通过控制器将输出电压转换为供给LED的电流。电压控制脉宽调制控制器常用于此用途。电流感应电阻与LED串联配置，将电压值反馈给控制器。因此，控制器实际上是工作于电压模式，并保持恒定的取样电压值，从而保持恒定的电流。该典型电路配置如图1所示。

图1 典型的脉宽调制控制器，用以产生恒定的电流

图1中，R1采样流经D1 的电流。其结果电压将在脉宽调制控制器中与一个基准电压进行比较，以确保开关在每一时钟周期的确定百分比的时间内闭合。在开关闭合期间，有足够的能量被转换至输出，以产生所需的电流，该电流流经R1。如果过多或过少的能量被转换，R1两端的电压将增加或减少，从而改变开关闭合的时间。上述转换的结果是闭环系统维持了R1两端的电压值，使其等于基准电压，并为二极管D1输送了恒定的电流，其电流值为：

上述方法的难点在于当应用中存在若干个LED时，每一LED都需要独有的控制器，且相应的需要更高的成本及板载空间。同时，由于控制器设计用于输出恒定的电流，因而典型的采用了较大的输出电容值，从而限制了对控制命令的快速响应程度。

一般的应用采用了多个彩色LED来产生白色光。此时，将至少需要红、绿及蓝三种LED。但此类应用通常包括了第4或第5个LED以试图获取特殊色调的白光。在典型的三色控制设定中，LED电流设定为特定的比例，50%至64%为绿光、25%至40%为红光、5%至15%为蓝光。该白光的合成(mimic)混合了一定频谱比例的红、绿及蓝光。上述合成方法需要采用三个分立的脉宽调制控制器，相应的增加了成本。每一控制器为单个LED供电，并通过改变其各自的脉宽调制责任周期完成对亮度的调节。

简化方法

该替换方法将产生一致的电流，并将LED串行连接配置。对于亮度的控制可通过与每一LED并联的场效应管(FET)开关实现。当FET开关打开，其共通的电流将分流绕过LED并使其关闭。其控制装置(control mechanism)可用于调整LED，以控制每一时钟周期内确定百分比的导通及关闭。该方法如图2所示，图中串行的LED具有相同的电流，并通过各自独立的并行FET开关实现调节。采用该方法的另一实现方式如图3的模块化构成所示。

图2 采用脉宽调制电流并联技术实现对LED的控制

图3 并联方法的方框图

在图3的方法中，通过LED串底部的感应电阻的控制，单个控制器可提供某一确定电流值。该系统由外部微控制器控制，以驱动电平偏移驱动器，实现对并联FET的控制。亮度的控制是通过调节每一FET的关闭时间百分比实现的，在FET关闭期间，电流将流经其各自的LED。此方法最大的优势就在于可应用廉价控制器的处理能力，以克服了某些LED的缺点。例如，蓝色LED效率较低，通常需要更高电流的驱动已达到亮度的平衡。通过适当的缩放FET的责任周期也可解决此问题，并产生同样的亮度平衡。由于是电流密度控制了光的辐射输出，辅助的亮度补偿方法将改善亮度的不均衡现象，该方法并联配置了两个更大的LED二极管，同时使得单个特定LED色彩的固有亮度有所减弱。图4所示电路即是为了验证此想法而构建。

图4 三LED控制电路示意图

上图电路中的控制器为TPS40200，与一对并联的电流感应电阻(R11及R5)协同运作，以保持恒定的输出电流流经串联的三个LED。此时，电路被设定为供给700mA的输出电流。每一并联FET（共三个）均由浮点型驱动器(floating driver)实现控制，可通过标准逻辑驱动，并从而可控制具有不同电压值（参考地电平）的FET。

该电路的输出电压由LED的前向电压及感应电阻两端的电压所确定。此时，输出电压约为10.5伏特。

由于此为恒定电流系统，在脉宽调制的输出端无需大的输出能力。从而不仅节省了元件成本，同时还有助于系统更快的响应输出电压的改变。此类改变的电压上升源于FET开关的导通，而电压下降的改变则源于LED下跌至某一更小的值（因FET的导通阻抗(Rdson)而导致）。 下方的图5举例说明了当某通道导通或关闭时的快速响应情况。如图所示，当脉宽调制控制器的控制环路无过冲或不稳定时，转换是平滑的。

图5 逻辑输入至LED输出电压的转换

通过数字输入控制LED串，用户可使用微处理器轻松的实现灯光特效，包括了简单的亮度调节、色彩改变直至光的方向性控制。通过相应的简单附加电路，用户还可使用此方法实现对LED亮度（可能随温度及时间而变）的补偿。其它例子特别展示了当使用廉价的处理器及温度感应时，红光LED的温度漂移（在光通量[luminous flus]超过50 degrees C时约为40%）可通过比例的改变红光LED的责任周期以实现调节。此外，老化效应还可通过单个光传感器对单个LED的周期性采样，并与早先存储于EEPROM中的光通量值进行比较的结果进行处理。处理器可调节责任周期以恢复色彩平衡，并保持所需的色彩。此电路的方法提供了一个简单的方式以通过处理器控制多个LED。通过此方法，针对LED老化及易变性的解决方案将以一种更为经济高效的方式实现。

来源：电子工程专辑