LED驅動電流背景知識

近年來LED已成為重要的新世代光源，LED的發光效率通常可達白熾燈的3倍多；LED也非常耐用，使用壽命超過數萬個小時。

針對照明應用的高功率LED，採用恆流源（constant current source；CCS）驅動。一些標準驅動電流常見於不同LED產品中，其中350 mA 和 700 mA的驅動電流最為常見。根據串聯的類型和數量不同，LED兩端的順向壓降（forward voltage）也可能改變。許多高功率LED產品製造商將提供把多個接面整合於單一模組中的產品。

驅動LED的方法之一，是採用串聯電阻來限制電流。線性穩壓器或運算放大器也可構成恆流配置。然而，此類線性方法無法在一定的功率水準下提供足夠的效率。

這時交換式電源（SMPS）可為LED驅動提供更高效率的解決方案，其可將輸入電壓升／降至適當電位，進而提供所需要的LED驅動電流。系統的輸入電壓範圍以及所需的LED順向壓降，將決定對SMPS拓撲結構的選擇。

降／升壓轉換器

當供電電壓高於或低於需要的輸出電壓時，使用降／升壓轉換器結構。對於電池應用來說，降／升壓轉換器尤其有用。降／升壓結構還稱為返馳式（fly-back）或換流式（inverting）穩壓器。

《圖一　降／升壓轉換器拓撲結構》

降／升壓轉換器可按圖一的方式實現。其方案優點是可使用簡單的低端MOSFET驅動器電路。圖一所示的拓撲結構，將產生相對於輸入電壓的正電壓，但缺點則是負載並非以迴路接地（circuit ground）為基準。

採用混合訊號高電壓的微控制器實現方案

圖二為LED驅動電路的簡化電路圖，其中採用混合訊號且高電壓的8位元微控制器。

該電路的輸出是相對於電池電壓，而非接地電壓。整流器的輸出連接到LED的陽極，產生一個高於輸入電壓的電壓。

《圖二　混合訊號高電壓 LED驅動器的簡化原理圖》

這個混合訊號高電壓微控制器結合一個8位元微控制器核心和多個on-chip的類比週邊，並包括以下元件：

運算放大器和比較器的所有接腳都可連接至外部，因此可支援任意的電路配置。

電流感測電路

電流感測運算放大器連接成差動放大器，以精確測量電流感測電阻兩端的電壓。為簡化電路要求，在電源返回路徑上進行電流測量。R1、R2 和 C1構成一個低通濾波器，以減少可能存在的開關雜訊。為避免限制控制環路的響應，該濾波器的截頻點（cutoff frequency）必須大於電壓轉換器的交換頻率。

電流調節電路

穩定LED電流流量的電路由雙相位PWM模組、內部比較器和一個參考電壓源構成。雙相位PWM模組是依照set/reset原則的「類比」式PWM模組。首先，從系統時脈產生的一個時脈訊號，週期性地開啟PWM輸出，由PWM時脈訊號設定基本的PWM頻率。然後當達到指定的參考電位時，來自一個on-chip比較器的重置訊號會關閉PWM輸出。

放大後的電流訊號連結到LED驅動器中比較器1的正輸入端。PWM模組使用混合訊號高電壓零件中的捕獲比較週邊（CCP1），來產生比較器所需要的參考電壓，採用PWM可更精細控制比較器參考電壓。而利用RC濾波器過濾PWM訊號，可獲得一個類比電壓並連結至比較器的負輸入端。

軟體實現方案

由於LED電流控制功能採取類比方式，應用軟體十分簡易；一旦裝置啟動

所有週邊，電流參考值也會被正確設定，因此無須軟體作用，LED就會持續發光。

應用程式碼可以利用on-chip的10位元A/D轉換器測量供電電壓和供電電流，驅動LED保持定功率模式。隨著電池輸入電壓的改變，採用CCP週邊的D/A電路將產生新的參考電壓值進行補償。

調節LED亮度

微控制器核心僅需花費一小部分時間調節功率，大部分時間則可用於改善使用者介面及提供更多功能，例如電池狀態監控和亮度控制。利用此一電路和軟體調整LED亮度有兩種方法。

利用LED亮度隨驅動電流而變化之原理

利用此種方法可實現LED亮度的近似線性控制。然而，改變電流調光並非控制LED亮度的最好方法。只有在製造商規定的最大驅動電流下，LED才能夠達到最高的發光效率。

利用低頻PWM訊號調整LED驅動電流

此方法是在LED發光時以最大電流驅動，而非降低驅動電流。PWM訊號的工作週期，決定LED發光的平均時間。PWM調光訊號的頻率通常在60Hz 到 1000Hz之間。PWM頻率需夠高，確保LED電流開關速率夠快，使人眼感受不到光的閃爍。同時PWM頻率又要夠低，確保電流調節電路在PWM作用時間內有足夠時間可以穩定。若上述條件充足，那麼人眼會對一段時間內LED的光輸出進行平衡。

總結

混合訊號高電壓控制器包含所有必備元件實現高效率高功率的LED驅動電路。根據輸入電壓範圍，此解決方案可迅速調整成升壓或降／升壓工作模式。此一應用僅使用微控制器內部RAM和快閃記憶體的一小部分，為其他應用程式碼預留足夠空間。混合訊號高電壓微控制器尚包含足夠週邊，可支援其他LED驅動功能、充電器或其他交換式電路。

---作者均任職於Microchip Application Segments Group應用部門---