如何应对新型大功率LED的设计挑战

如何应对新型大功率LED的设计挑战

Microchip Technology Keith Curtis

简介

数十年来，不起眼的发光二极管（LED）已经在众多应用中得以广泛采纳，设计人员对其设计要求非常熟悉，以至于大多数人都不太会对它们进行深入的思考。不过，一种新型的大功率LED正在崛起，而最新的技术进步已把人们的目光再次聚焦于这一不起眼的发光二极管身上。

新一代的1W、3W和5WLED的输出是标准LED输出的10～50倍，这使得在利用这些新型LED进行设计时要面临很多设计挑战，而且选择合适的单片机驱动新型LED也不再是一项简单的任务。

为了说明更高的驱动电平需求，表1列出了3种不同大功率LED的典型驱动电流和电压。

驱动器、电压基准、电池检测和温度监控都有多种选择，而适当的外设组合又取决于多种因素。
输出功率的增加势必提高了对LED的驱动要求。为了得到足够的亮度，一个5W的LED要求7V时驱动电流达到0.7A。这比要求1.4VDC时驱动电流仅要20mA的标准LED要高多了。

目前，二极管的冷却是机械设计和电路板布局需要考虑的主要问题。管芯温度也会影响器件的输出亮度，因为当器件从环境温度升到120℃时，亮度就会下降多达35%。LED的管芯温度也会影响器件的发光波长，在100℃的温度变化下波长几乎可以改变4~9nm。

为了满足这些特殊要求，需要某种形式的功率调节为新型LED供电并进行监控。此外，如果LED需要根据用户输入或其他外部输入闪烁或暗淡下去，它们还需要一个小型单片机来控制功率电路。首先需要做的是决定哪一种驱动器拓扑结构最合适，然后确定哪一个单片机拥有合适的外设。

线性驱动器

与任何其他大功率驱动器相比，大功率LED驱动器设计具有突出的线性控制和高效特性。如果需要控制LED的亮度，很显然需要线性化。即使器件不是由电池供电的，由于几瓦特的功率驱动器涉及潜在高温，高效性就成为了关注的焦点。

大多数不同的拓扑结构主要分为两类 线性式和开关式。虽然线性式具有简单的优点，但开关式的效率更高。需要评估线性式驱动器拓扑结构和若干开关式驱动器拓扑结构的变体，以决定需要哪些外设。

通常，一个线性灌电流式驱动器由一个运算放大器、一个功率晶体管和一个电流感应电阻器组成（见图1）。从图1中可以看到，线性驱动器需要的外设最少，是一个简单电路。其仅有的元件就是运算放大器、MOSFET和感应电阻器。

线性驱动器的不足之处是效率低下。如果这个驱动器电路有足够大的散热器，那么这就不会是问题，而可以使用线性驱动器。然而，在大多数情况下，由于传输晶体管的功耗问题，很少会在这种应用中采用线性驱动器。
开关式电源驱动器

开关式电源(SMPS)驱动器旨在通过一个电感器将能量从电源传给负载。通常是用一个PWM控制信号对MOSFET晶体管进行导通/关断来实现的。
通过改变PWM的占空比和电感器的充放电时间，可以对输入电压与输出的比率进行调节。反馈电路可对输出电压进行监控，并对充电和放电占空比进行适当的调节，以保持恒定的输出电压。为了满足LED的电流控制要求，因为反馈源是唯一需要进行改变的内容，所以可以对LED的电流进行微小的更改，而不是更改输出电压。

某些SMPS驱动器的不同变体可能采用不同类型的SMPS驱动器。一个典型的SMPS驱动器可使用一个外部输出电压可调的开关稳压器芯片来建立驱动器电流输出（见图2）。

增加运算放大器可将电流感应电压提升到开关稳压器芯片的内部基准电压。不过，由于稳压器芯片的内部基准电压是固定的，改变输出电流的唯一方法是改变电阻器R1和R2的比值。
另一个例子使用了一个可编程开关式控制器（PSMC）外设作为PWM开关控制。这个外设类似于一个独立的开关式电源驱动器，其不同之处是：它是由相连的单片机控制的，其基准电压可以从外部电源获得，以简化亮度控制（见图3）。

第三种选择是将反馈路径变为软件。在这个驱动器中，电流反馈由ADC进行数字化，适当地修改PWM值，而新的PWM开关信号是由一个硬件PWM外设产生的（见图4）。

驱动电平电压的生成
除了两种例外情况，驱动器电路的选择将需要一个可变的DC驱动电平，以控制驱动器的输出电流。因此，单片机必须有某种数模转换（DAC）外设来控制驱动器。

产生DC驱动电平的方法之一是在单片机的控制下建立一个PWM信号，然后该信号通过一个外部低通RC滤波器进行过滤，以形成DC电压。驱动电平PWM信号可以由一个片上PWM外设或软件产生，而且由于驱动电平PWM只能产生一个驱动器的控制电压，而不是实际的驱动器PWM，所以它可以在非常低的频率下工作。不过，值得注意的是，驱动器的响应时间取决于第二个PWM RC滤波器的响应时间。

还有一种方法是用DAC或数字电位计直接建立驱动电平。这两种器件都可以通过直接改变基准电压来产生输出电压。由于不需要外部滤波器，这些器件的响应时间不会对驱动器电路的响应时间造成限制。

为生成驱动电平电压而需要考虑的最后一个方面是：单片机的电源电压的变化对驱动电平电压的影响。如果为生成驱动电平电压所选的方法是通过改变单片机的电源电压来产生其输出电压，而且，单片机是直接由电池供电的，那么，当供给单片机的电池电压下降时，驱动电平输出就可能下降。如果发生了这个问题，只要增加一个测量电池电压的电路，即可利用软件对驱动电平进行补偿。

温度监控

在选择好驱动器拓扑结构之后，设计剩下的唯一接口要求是监控LED管芯温度的方法。有几种可供使用的温度传感器，每一种都有其自己的输出格式。单片机将需要一个连接传感器的适当外设。

单片机的选择

一旦决定了驱动电路和温度监视器接口，就该选择适当的单片机了，即：

加入所有输入和输出的外设要 求；

根据所使用的单片机制造商的外

设组合对外设要求进行匹配；

如果单片机上没有所需的外设，

单片机就需要有适当的通信外设

(如I2C 、SPI或相应的软件)与外

部外设进行通信。

表2、表3、表4汇集了所有可能使用的驱动器、各种温度传感器以及与控制电路有关的其他方面对外设的要求。