使用电流输出 DAC 和 TIA 精确控制 LED 亮度

发光二极管 (LED) 由于物理稳健性、长寿命、高效率、快速开关能力和小尺寸而广受欢迎。LED 每瓦发出的流明数比白炽灯泡多，并且效率不受尺寸和形状的影响。然而，尽管 LED 得到了广泛的使用和技术支持，但是精确控制 LED 的亮度仍然是一个挑战。

原因有很多，并且与每个 LED 波长的物理特性有关，但是仍可使用正确的元器件和设计方法来实现精确的亮度控制。

本文简要讨论了与实现一致的 LED 亮度有关的问题。然后说明如何协同使用可编程 14 位电流输出数模转换器 (DAC)、运算放大器和精密模拟微控制器来精确控制 LED 的亮度。文中以来自 Analog Devices 的元器件为例。

LED 阵列/应用

LED 半导体是一种随着电流从阳极流向阴极而发光的光源。半导体电子与电子空穴重新结合，并以光子形式释放能量。电子穿过半导体带隙所需的能量决定了 LED 灯的颜色。

LED 的电性质类似于标准二极管。与标准二极管一样，务必不能在正向偏置模式下对其进行过驱动。过驱动的二极管会过热，在最坏的情况下将会变成开路。当 LED 受到正向偏压时，电流流过器件，并从阳极到阴极产生光和压降（图 1）。

图 1：使用 20 毫安 (mA) 的正向电流时，各种颜色的 LED 显示具有不同的正向电压。（图片来源：DigiKey）

在图 1 中，LED 的正向电压随颜色而变化（R = 红色；O = 橙色；G = 绿色；Y = 黄色；B = 蓝色；W = 白色）。通常，用 20 mA 的电流源激励 LED，以测量并指定正向电压值。虽然用电压源驱动 LED 很吸引人，但是电压源很难精确控制，这会冒着使器件过度驱动，从而导致过热和过早失效的风险。

并联与串联 LED 配置

最流行的三种 LED 配置是并联、串联或二者的组合，但是在大多数情况下，建议使用电压源和电阻器驱动 LED 以控制电流强度（图 2）。

图 2：三种 LED 驱动配置分别为并联 (A)、串联 (B) 和并联与串联组合 (C)。（图片来源：DigiKey）

并联 LED 灯串 (A) 必须具有相同的正向电压规格，因此必须是相同颜色的 LED（参见图 1）。即使在这种配置中，由于正向电压的制造公差，LED 也不会平均分配电流。对于这种并联配置，一个或多个 LED 可能会发生电流错乱。LED 的亮度会因不同的正向电流/发光强度（会导致 LED 显示不一致的因素）而异。

在并联配置 (A) 中，R_LED 值取决于预定供电电压 (V_LED)、LED 的标称正向电压以及并联 LED 的数量，每个消耗约 20 mA 的电流。例如，R_LED 等于 10 W，具有十个并联的白色 LED（20 mA 下正向电压约为 3.0 V）和 5 V 的 V _LED。10 W 的 R_LED 值使用公式 1 计算得出：

 公式 1

其中 V_LED = 供电电压，按图 2

N = LED 数量 = 10

I₁ = 20 mA（注意：I_LED = I₁*N）

R_LED = LED 偏置电阻

V_X = 标称 LED 20 mA 压降

在串联配置 (B) 中，每个 LED 接收的电流相同，但具有不同的正向电压。在此串联配置中可以有多个颜色的 LED。在这种形式中，供电电压等于各标称 LED 电压之和，加上电阻 R_LED 两端的压降。例如，如果该串联配置中有十个红色 LED（正向电压约为 1.9 V），通过 330 Ω 电阻的电流为 20 mA，则系统电压 (V_LED) 约为 25.6 V。在此配置中，一个 LED 发生故障或断开会导致整个灯串失效。

并联和串联 LED 组合 (C) 兼具两种配置的优势。在这种配置中，串联灯串中的 LED 更少。这降低了 V_LED 的值。同样，并联的 LED 也会更少，这降低了电流错乱的可能性。另一个好处是，这种配置意味着可将可编程电流输出 DAC 用作经济实惠的激励源，取代传统的静态电压源。

可编程 LED 控制选项

在图 2 中，并联 (A)、串联 (B) 和串联/并联组合 (C) 配置的 LED 驱动机制具有一个串联电阻 R_LED 和一个电压源 V_LED。在这三种配置中，正向电流降低（即 V_LED 减小或 R_LED 增大）将使 LED 变暗。电压输出 DAC 可为 V_LED 提供可编程电压；但是，所需的大电流可能会带来问题。电压输出 DAC 通常无法提供 LED 所需的大电流，因此多数情况下需要使用功率放大器 (op amp)。

手动电位计或者更好的数字电位计，可以通过一定的功耗限制来代替 R_LED，例如在电位计接近零欧姆时如何处理大电流。

为了避免与电压输出 DAC 和电位计相关的问题和复杂性，最简洁的设计方法是改为使用电流输出 DAC。

电流输出 DAC 可为 LED 提供可编程的电流。该 DAC 的关键规格是为每个 LED 提供高分辨率 20 mA 电流的能力。在跨阻放大器 (TIA) 的辅助下，电流可编程性可用于调节所需的亮度（图 3）。

图 3：可编程输出电流 DAC 提供直接正向 LED 电流控制，TIA 提供亮度级别控制。（图片来源：DigiKey）

在图 3 中，两个 LED 以 20 mA 的激励电流来获取正向电压电平。为了完成图 3 中的 LED 系统，TIA 前端的光电二极管 (PD) 会感应 LED 的亮度。对于该系统，放大器要求低输入偏置电流以避免与光电二极管电流 (I_PD) 竞争，以及低输入补偿电压以使 PD 两端的压降保持最小。

可编程亮度 LED 控制器的实现

可编程亮度 LED 控制器系统的实现需要精密的模拟微控制器（例如 Analog Devices 的 ADuCM320BBCZ），以及 AD5770RBCBZ-RL7 电流输出 DAC 和 ADA4625-1ARDZ-R7 运算放大器，两者均来自 Analog Devices。

微控制器：

• 驱动 14 位 DAC 输出电流值
• 将 TIA 的输出电压接收到板载 14 位模数 (ADC) 转换器中
• 执行必要的计算以控制亮度

可编程 DAC 为 LED 提供准确的输出电流，而配置为 TIA 的运算放大器则通过光电二极管接收模拟 LED 亮度级。然后，TIA 将输出电压 (V_OUT) 发送到微控制器的 ADC 输入（图 4）。

图 4：该精密系统为 LED 提供可编程电流以控制亮度。（图片来源：DigiKey，使用 Analog Devices 的光电二极管电流设计向导在线软件生成）

电流量级利用反馈环路中的 TIA 获得系统控制。ADA4625-1 运算放大器具有 15 皮安 (pA) 的输入偏置电流（根据规格书）和 15 微伏 (mV) 的补偿电压，可提供宽 TIA 动态范围。该动态范围提供了高度的亮度灵活性，可将 LED 从最高亮度降低到完全熄灭的状态。

系统设计人员可确定 LED 亮度的变化和范围。例如，一个 14 位 DAC 可提供 2¹⁴ 或 16,384 个级别。对于这个具有 100 mA 满量程输出的 DAC，根据以下公式，最低有效位 (LSB) 大小为 6.1 微安 (mA)：

其中：

IDACx_LSB = x 通道的电流 LSB 大小

IDAC_MAX = 额定最大通道电流

N = DAC 位数

使用 5.0 V 的供电电压，六通道 AD5770R 可驱动两个标称电流为 20 mA 的串联 LED。在此电路中，LED 电压会获取各自的正向电压电平。

在图 4 所示的电路中，每个输出端口 (IDAC0-IDAC5) 的最大输出电流可下调至标称值的 50%。这种灵活性使设计人员可以更好地匹配 LED 激励电流。此外，这种操作还可降低 LSB 电流量级。

再回到图 4，最大 IDAC2 电流为 55 mA，最大 IDAC5 电流为 45 mA（根据规格书）。如果 IDAC2 串中的 LED 是红色 LED，则 IDAC2 引脚上的标称电压为 1.9 V x 2，即 3.8 V，DAC 的 LSB 大小为 3.4 mA。

为了进一步提高系统精度，设计人员可使用外部参考或通过添加精密电阻代替 DAC 的片上参考发生器。

最后，AD5770R 具有多路复用片上诊断功能，使设计人员可以通过外部 ADC 监视输出顺从电压、输出电流和内部芯片温度。

AD5770R 电流输出 DAC 用低噪声的受控可编程电流源来驱动两个 LED 的灯串，该电流源的 IDAC2 和 IDAC5 输出噪声频谱密度分别为 19 nA/√Hz 和 6 nA/√Hz。

总结

由于物理稳健性、长寿命、低能耗、快速切换和小尺寸特征，LED 相比其他照明技术具有众多优势。但是，尽管 LED 使用广泛，但要精确有效地控制其输出亮度仍然具有挑战。

如上所述，使用 ADuCM320BBCZ 精密微控制器、14 位可编程高精度电流输出 DAC AD5770 和 TIA 配置的 ADA4625-1 JFET 运算放大器，可以实现精密的 LED 亮度控制。这种组合可帮助设计人员满足精确的 LED 亮度要求，并具有全面的诊断能力以监控所有 LED 驱动器电流，同时提供调光控制。