LED 驱动电路

 

就像几十年前晶体管取代真空管一样，另一种固态装置– LED–正在取代玻璃容器内的电子组件– 白炽灯和荧光灯。 LED 具有这些旧式光源无可比拟的优势，就像晶体管胜过真空管一样：外形小巧、可靠性高、维护简单、防振动且耐冲击、效率高。 LED 还具有开关时间快和色彩纯正的优点，因此能确保精确控制亮度和颜色。 根据 Haitz ’定律的推测，LED 单位流明的成本每十年就会降低 90%，这意味着其每年的应用前景将更趋广阔。 

 

 

尽管近年来取得了长足进步，但 LED 本身也有其固有的使用局限。 本文探讨了如何使 LED 驱动电路充分发挥 LED 的优势，避免其自身的劣势，并简化系统设计。 

 

 

同一制造商生产的同一型号的 LED 在亮度、颜色和正向电压方面会有显著区别。 亮度范围（照明效率）可达到 5:1，最高甚至可达 10:1。 正是因为工艺变化如此显著，所以制造商通常会根据效率、颜色和正向电压对多种等级的 LED 进行分区（排序）。 即使是分区内部的差异也可以目测，因为分区宽度最大可达分区中点的 40%。 为限制这些关键特性的扩散，用户通常只会从一家供应商那里购买 LED，但这么做会产生供货风险。 

 

 

与同一制造商提供的同类 LED 之间的差异相比，不同制造商提供的 LED 之间，以及不同类型的 LED （如不同的颜色）之间存在更为显著的差异。

 

 

此外，温度变化也会显著影响 LED 的颜色和照明效率。 与蓝色和绿色 LED 相比，这些参数的变化在琥珀色和红色 LED 上尤为突出，所以全彩色显示屏和混色照明系统的色平衡会不断变化。 为使显示屏和照明系统内的色彩更平衡、更稳定，系统必须根据温度变化的影响，提供初始校准、持续的重新校准和补偿功能。

 

 

除了这些工艺变化和温度影响外，有些参数还会随工作电流的变化而变化。 随着电流的增加，红色和黄色 LED 的峰值波长会增大，但蓝色和绿色 LED 的峰值波长会减小。 同样，照明效率也并不具有线性特征，而是会随电流的增加而降低。所以，’最好使 LED 保持恒定电流，并通过在占空比不同时开关 LED 来改变亮度。 通常采用脉宽调制 (PWM) 和类似的技术，在不改变波长的条件下控制亮度。

 

 

PWM 调光范围是最亮光量值与最暗光量值的比率，它等于 PWM 周期与最小脉宽的比率。 在混色应用中，颜色组分的调光比组合决定了能显示的色彩数量。 例如，Allegro™ A6281 的每个 LED 通道有一个 10 位 PWM，因此能使亮度级达到 1024。 红色/绿色/蓝色像素有 10243 种或十亿多种颜色组合。 

 

 

PWM 的重复速率应该比肉眼能看到的还要快，一般至少为 200 Hz。 在需要对显示屏进行拍照或摄录的应用中，PWM 周期必须比相机/摄影机的曝光时间短。 为响应 500 Hz 或更快重复速率，这可能只有 2 毫秒或更短。当每个 PWM 间隔内有 1024 个时隙时，时钟频率必须达到 500 kHz 或更大。A6281 的内部时钟能以 800 kHz 的频率工作，也可在外部以最大 5 MHz 的频率计时。

 

 

最后，LED 会随使用年限而发生变化。 虽然 LED 能持续使用 50000 - 100000 小时，但随着晶粒退化和密封胶失去透明度，它们的亮度会逐渐减弱。 在白色 LED 中，荧光体也会退化，从而造成亮度减弱和颜色偏移。 以不同速度退化的不同材料会产生不同的颜色，所以随着 LED 亮度的减弱，色平衡也会发生变化。 采用光敏元件提供的反馈增加驱动电流的闭环系统，能补偿产品老化导致的性能变化，并能根据温度影响进行初始校准和补偿。

 

 

理想的解决方案是，分别进行校准（不常进行）和刷新快速变化的图像数据。 A6281 具有单独的可保留图像数据的寄存器，它能控制脉宽调整器和校准数据，后者可控制能调节 LED 电流的 7 位 D/A 变换器。 因此，使用 DAC 转换器可按需要设置色平衡和日间/夜间亮度，设置操作可独立于图像数据的显示，以确保对 LED 进行脉宽调制。 

 

 

 

在大型分布式系统中，例如ç建筑的淡入显示屏，要沿整个系统为时钟信号布线十分困难。 在每个像素位置集成一个本机 PWM 振荡器可简化系统设计。 由于像素 PWM 时钟未同步，所以总峰值电流比同步系统中的小。 如果需要对驱动器进行同步，可采用单独的外部信号为 A6281 的字符串计时。

 

 

在大型建筑体形的系统中，像素之间的距离可达 1 米或几米。 A6281 具有缓冲区以重新生成数据，并控制电缆上的下个像素的信号。 这些特征可确保几百个 A6281 在数百米长的电缆上工作。

 

 

A6281 可简化系统设计的其他特征还包括：

 

 

• 集成的 5-V 逻辑调节器能使 LED 电源的电压最低下降 17 V。较高的 LED 电源电压可确保多个同色 LED 叠放以增加亮度。
• 小型封装尺寸：3-mm x 3-mm QFN 封装。
• 宽温度范围 (-40 - +85 C) 加温度保护。
• 电流强度超过（每通道 150 mA）其他 3-通道驱动器，以确保在白天完全可见。

 

A6281 是现代 LED 驱动器的典范，它能精确控制 LED 并帮助补偿因温度、老化和工作电流的变化产生的差异。 随着 LED 技术的不断进步，驱动器将越来越先进。

 

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