如何應對新型大功率LED的設計挑戰

簡(jiǎn)介

數十年來(lái)，不起眼的發(fā)光二極管（led）已經(jīng)在眾多應用中得以廣泛采納，設計人員對其設計要求非常熟悉，以至于大多數人都不太會(huì )對它們進(jìn)行深入的思考。不過(guò)，一種新型的大功率led正在崛起，而最新的技術(shù)進(jìn)步已把人們的目光再次聚焦于這一不起眼的發(fā)光二極管身上。

新一代的1w、3w和5wled的輸出是標準led輸出的10～50倍，這使得在利用這些新型led進(jìn)行設計時(shí)要面臨很多設計挑戰，而且選擇合適的單片機驅動(dòng)新型led也不再是一項簡(jiǎn)單的任務(wù)。

為了說(shuō)明更高的驅動(dòng)電平需求，表1列出了3種不同大功率led的典型驅動(dòng)電流和電壓。

輸出功率的增加勢必提高了對led的驅動(dòng)要求。為了得到足夠的亮度，一個(gè)5w的led要求7v時(shí)驅動(dòng)電流達到0.7a。這比要求1.4vdc時(shí)驅動(dòng)電流僅要20ma的標準led要高多了。

目前，二極管的冷卻是機械設計和電路板布局需要考慮的主要問(wèn)題。管芯溫度也會(huì )影響器件的輸出亮度，因為當器件從環(huán)境溫度升到120℃時(shí)，亮度就會(huì )下降多達35%。led的管芯溫度也會(huì )影響器件的發(fā)光波長(cháng)，在100℃的溫度變化下波長(cháng)幾乎可以改變4~9nm。

為了滿(mǎn)足這些特殊要求，需要某種形式的功率調節為新型led供電并進(jìn)行監控。此外，如果led需要根據用戶(hù)輸入或其他外部輸入閃爍或暗淡下去，它們還需要一個(gè)小型單片機來(lái)控制功率電路。首先需要做的是決定哪一種驅動(dòng)器拓撲結構最合適，然后確定哪一個(gè)單片機擁有合適的外設。

線(xiàn)性驅動(dòng)器

與任何其他大功率驅動(dòng)器相比，大功率led驅動(dòng)器設計具有突出的線(xiàn)性控制和高效特性。如果需要控制led的亮度，很顯然需要線(xiàn)性化。即使器件不是由電池供電的，由于幾瓦特的功率驅動(dòng)器涉及潛在高溫，高效性就成為了關(guān)注的焦點(diǎn)。

大多數不同的拓撲結構主要分為兩類(lèi) 線(xiàn)性式和開(kāi)關(guān)式。雖然線(xiàn)性式具有簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)，但開(kāi)關(guān)式的效率更高。需要評估線(xiàn)性式驅動(dòng)器拓撲結構和若干開(kāi)關(guān)式驅動(dòng)器拓撲結構的變體，以決定需要哪些外設。

通常，一個(gè)線(xiàn)性灌電流式驅動(dòng)器由一個(gè)運算放大器、一個(gè)功率晶體管和一個(gè)電流感應電阻器組成（見(jiàn)圖1）。從圖1中可以看到，線(xiàn)性驅動(dòng)器需要的外設最少，是一個(gè)簡(jiǎn)單電路。其僅有的元件就是運算放大器、mosfet和感應電阻器。

開(kāi)關(guān)式電源驅動(dòng)器

開(kāi)關(guān)式電源(smps)驅動(dòng)器旨在通過(guò)一個(gè)電感器將能量從電源傳給負載。通常是用一個(gè)pwm控制信號對mosfet晶體管進(jìn)行導通/關(guān)斷來(lái)實(shí)現的。
通過(guò)改變pwm的占空比和電感器的充放電時(shí)間，可以對輸入電壓與輸出的比率進(jìn)行調節。反饋電路可對輸出電壓進(jìn)行監控，并對充電和放電占空比進(jìn)行適當的調節，以保持恒定的輸出電壓。為了滿(mǎn)足led的電流控制要求，因為反饋源是唯一需要進(jìn)行改變的內容，所以可以對led的電流進(jìn)行微小的更改，而不是更改輸出電壓。

某些smps驅動(dòng)器的不同變體可能采用不同類(lèi)型的smps驅動(dòng)器。一個(gè)典型的smps驅動(dòng)器可使用一個(gè)外部輸出電壓可調的開(kāi)關(guān)穩壓器芯片來(lái)建立驅動(dòng)器電流輸出（見(jiàn)圖2）。

另一個(gè)例子使用了一個(gè)可編程開(kāi)關(guān)式控制器（psmc）外設作為pwm開(kāi)關(guān)控制。這個(gè)外設類(lèi)似于一個(gè)獨立的開(kāi)關(guān)式電源驅動(dòng)器，其不同之處是：它是由相連的單片機控制的，其基準電壓可以從外部電源獲得，以簡(jiǎn)化亮度控制（見(jiàn)圖3）。

除了兩種例外情況，驅動(dòng)器電路的選擇將需要一個(gè)可變的dc驅動(dòng)電平，以控制驅動(dòng)器的輸出電流。因此，單片機必須有某種數模轉換（dac）外設來(lái)控制驅動(dòng)器。

產(chǎn)生dc驅動(dòng)電平的方法之一是在單片機的控制下建立一個(gè)pwm信號，然后該信號通過(guò)一個(gè)外部低通rc濾波器進(jìn)行過(guò)濾，以形成dc電壓。驅動(dòng)電平pwm信號可以由一個(gè)片上pwm外設或軟件產(chǎn)生，而且由于驅動(dòng)電平pwm只能產(chǎn)生一個(gè)驅動(dòng)器的控制電壓，而不是實(shí)際的驅動(dòng)器pwm，所以它可以在非常低的頻率下工作。不過(guò)，值得注意的是，驅動(dòng)器的響應時(shí)間取決于第二個(gè)pwm rc濾波器的響應時(shí)間。

還有一種方法是用dac或數字電位計直接建立驅動(dòng)電平。這兩種器件都可以通過(guò)直接改變基準電壓來(lái)產(chǎn)生輸出電壓。由于不需要外部濾波器，這些器件的響應時(shí)間不會(huì )對驅動(dòng)器電路的響應時(shí)間造成限制。

為生成驅動(dòng)電平電壓而需要考慮的最后一個(gè)方面是：?jiǎn)纹瑱C的電源電壓的變化對驅動(dòng)電平電壓的影響。如果為生成驅動(dòng)電平電壓所選的方法是通過(guò)改變單片機的電源電壓來(lái)產(chǎn)生其輸出電壓，而且，單片機是直接由電池供電的，那么，當供給單片機的電池電壓下降時(shí)，驅動(dòng)電平輸出就可能下降。如果發(fā)生了這個(gè)問(wèn)題，只要增加一個(gè)測量電池電壓的電路，即可利用軟件對驅動(dòng)電平進(jìn)行補償。

溫度監控

在選擇好驅動(dòng)器拓撲結構之后，設計剩下的唯一接口要求是監控led管芯溫度的方法。有幾種可供使用的溫度傳感器，每一種都有其自己的輸出格式。單片機將需要一個(gè)連接傳感器的適當外設。

單片機的選擇

一旦決定了驅動(dòng)電路和溫度監視器接口，就該選擇適當的單片機了，即：

加入所有輸入和輸出的外設要 求；

根據所使用的單片機制造商的外

設組合對外設要求進(jìn)行匹配；

如果單片機上沒(méi)有所需的外設，

單片機就需要有適當的通信外設

(如i2c 、spi或相應的軟件)與外

部外設進(jìn)行通信。

表2、表3、表4匯集了所有可能使用的驅動(dòng)器、各種溫度傳感器以及與控制電路有關(guān)的其他方面對外設的要求。

選擇單片機驅動(dòng)新型大功率led不再是一個(gè)簡(jiǎn)單的任務(wù)。適當的外設組合取決于多個(gè)因素，諸如成本、尺寸、驅動(dòng)器拓撲結構、電池監控、溫度感應以及所有其他所需的輸入/輸出等。此外，某些傳統的基于硬件的功能可能由于成本的原因采用軟件更為適當。而且，利用一種有機的方法和前瞻性計劃，為驅動(dòng)大功率led選擇合適的單片機并非高不可攀。