LED驱动器在照明应用中的关键作用

作者：Poornima Apte
来源：DigiKey

白炽灯和其他老式灯泡都通过电能加热灯丝或气体，使之灼热而发出光线。而发光二极管 (LED) 则由特殊的半导体材料制成，通过电致发光方式将经过其内部的电能直接转化为光线。

每种 LED 材料在施加特定电压和电流时，会发出狭窄波长范围的光。通过调整这些值就可以让 LED 停止发光或改变其亮度。

设计人员通常依赖恒流减少 (CCR) 或脉宽调制 (PWM) 方式来控制 LED 的亮度。两种方式均用于调节光输出，但工作原理却截然不同，以下是每种方式在设计上的权衡取舍：

· CCR，常被称为模拟调光，其工作原理是通过减少流向 LED 的电流来实现调光。这是一种简单直观且噪声较低的方法，不会产生闪烁现象，因此适用于基本应用场景。然而，降低电流可能会稍微改变 LED 的颜色并限制调光范围，尤其是在光线非常暗的情况下。
· PWM 通过快速开关 LED 来实现调光，同时在每个脉冲期间保持恒定电流。这种技术可保持色彩一致性，并实现更宽的调光范围，通常可调至低于 1%。因此非常适合可调光照明或显示屏。权衡之处在于，如果开关频率不够高，PWM 可能会造成电磁干扰 (EMI) 和可见的闪烁。设计人员必须仔细权衡这些因素。

PWM 可能需要更复杂的驱动器并需要特别注意 EMI 滤波，而 CCR 在需要颜色精度或超低调光应用中可能表现不足。在某些情况下，将 CCR 与 PWM 相结合的混合方法能够兼顾两者的优势。

设计考虑因素

设计人员可以通过选择智能设计克服 CCR 或 PWM 调光的局限性。对于 CCR，设计人员可以选择在宽电流范围内具有稳定色性能的 LED，并应用伽马校正或对数调光曲线来调整调光响应，以匹配人类对亮度变化的感知方式。这可以让过渡更加平滑自然。谨慎选择驱动器和优化热管理也可帮助维持颜色稳定性并延长调光性能，而无需额外电路。

对于 PWM 调光，关键挑战包括闪烁、EMI 和设计复杂性。这些问题可以通过使用高 PWM 频率来克服，通常频率在 20 kHz 到 25 kHz 之间，以避免可见的闪烁并最大限度减少对音频或摄像头系统的干扰。EMI 可以通过精心设计电路板、使用滤波器以及选择具有可调信号速率等功能的 LED 驱动器来有效控制。集成内置 PWM 功能的驱动器通过内部生成信号简化了流程，消除了对驱动器外部精确定时管理的需求。

CCR 可能更适合需要最低 EMI 的应用场景，例如医疗环境、实验室或含有敏感电子设备的场所。该选项可在有限范围内提供可靠的平滑无频闪调光效果，其相对简单的结构也使之适用于家庭、餐厅及大型场馆等场景的通用照明，尤其在注重简洁性和成本效益的场合更为理想。

PWM 调光技术因其出色的色彩一致性和较宽的调光范围，常运用于舞台照明或需要极精细光线控制的场合。带集成信号源的 PWM 驱动器通过内部处理定时功能，进一步简化了设计流程，降低了设计复杂性。

当选择 PWM 方案时

PWM 调光方式适合需要多通道控制、颜色一致性和汽车级可靠性的应用。

例如 Diodes Inc. 的 AL5887Q 高级 36 通道汽车级 LED 驱动器，它具备双模式功能。通过调节恒定电流的占空比（从 100% 到 3%），实现深度 PWM 调光。不过到了 3% 以下时，它会切换到模拟调光模式，通过可编程数字控制实现与 CCR 相同的调光功能，而非采用传统的模拟 CCR 专用电路。

AL5887Q 内置 16 MHz 振荡器，无需外部时钟，从而简化了电路板设计和布局，缩小了印刷电路板占用空间，并降低了物料清单 (BOM) 成本。它使用 12 位 PWM 可寻址寄存器和 30 kHz 内部 PWM 发生器，可实现更好的色彩混合并降低噪声。

设计人员可以针对以下应用使用此功能：

· 汽车内饰与外饰照明
· 信息娱乐显示屏
· 状态指示灯
· 触摸屏和液晶显示屏背光

这些应用需要控制 LED 的颜色和强度，而这正是 AL5887Q 驱动器（图 1）能够实现的关键功能。


图 1：Diodes Inc. 的 AL5887Q LED 驱动器简化了汽车显示屏和照明应用。（图片来源：Diodes Inc.）

控制 RGB LED 的颜色

控制 RGB LED 的颜色需要调整流向 LED 封装内三个不同颜色芯片的电流（图 2）。简单来说，要产生明亮的黄色，就需要将红色和绿色发光二极管驱动至其指定的最大亮度，同时将蓝色 LED 调暗或关闭。同样地，通过控制单个 LED 的亮度，可以产生五颜六色。


图 2：为了控制 RGB LED 的颜色，应用需要调整流向 LED 封装内三个不同颜色芯片的电流。（图片来源： Broadcom ）

典型照明应用的架构

一个照明应用系统可能由数百个 LED 和其他组件组成，所有组件均由在单个小型计算机或单片机上运行的程序控制。

AL5887Q 的引脚分配如图 3 所示。一个应用可能包含多个驱动器；每个驱动器可以连接多至 12 个 RGB LED 或多至 36 个单独的 LED，并带有专用引脚 OUT0 至 OUT35。


图 3：AL5887Q 的引脚分配。它最多可连接 12 个 RGB LED 或 36 个独立 LED，并配有专用引脚 OUT0 至 OUT35（图片来源：Diodes Inc.）

为什么 AL5887Q 是优秀的照明应用 LED 驱动器

AL5887Q 可以进行通道混合和匹配，其中一些通道用于颜色混合，另一些用于状态指示器或类似的单色 LED 应用。每个通道都充当可编程恒流源，以提供均匀的亮度和色彩——这对于零售、汽车或建筑照明来说是一个重要的考虑因素，因为这些照明中很容易注意到不一致性。

错误检测

除了混合和调节 LED 光线之外，AL5887Q 还可以检测各种错误情况，例如短路，并将其记录在内部“标志”寄存器中。AL5887Q 使用其 FAULT 引脚向单片机发出有关问题的警报。LED 驱动器的错误检测机制允许在单片机上运行的应用程序做出反应并提供修复诊断。

应用开发人员简化

AL5887Q 消除了控制它的单片机的一些开销，例如强度颜色映射，从而简化了应用开发人员的工作。它能够让单片机上运行的程序更简单，从而减少了开发时间，并通过消除可能的错误源让系统更加稳健。

成组化

有些 LED 动画效果（如闪烁和“呼吸”（类似于缓慢脉冲））涉及许多 LED 上的同步动作。与单片机程序单独识别每个 LED 并重复发送相同命令不同，AL5887Q 可配置为将 LED 组成“组”。然后整个组可以执行同一条指令。

I²C 和 SPI 支持

高级 LED 应用一般具有许多外设和配置，需要灵活的逻辑来发现并相应地对行为进行修改。这些应用可能会选择 I²C，因为该协议使用两根导线即可发现数十个外围设备并与之通信。

另一方面，具有固定配置和简单逻辑的低级应用可以使用 SPI 进行简化，这种协议使用了更多的线路，但可以直接与已知外围设备通信。

AL5887Q 可同时适用这种两种类型的应用架构。它支持 I²C 或 SPI 通信协议。“接口选择”（INT_SEL）引脚允许单片机应用在启动时命令驱动电路使用其中一种通信方式。

省电模式

当 LED 关闭时，AL5887Q 会自动进入省电模式，此时仅消耗 25 微安电流。如果单片机向其发送任何命令，它将恢复正常模式。此功能可通过配置命令禁用。

结语

AL5887Q 的 12 位 PWM 控制特性实现了精度与灵活性的完美结合，因此成为高级 LED 照明应用通用、可靠的选择。其小巧的尺寸和集成的功能减少了对额外组件的需求，降低了总体成本并简化了开发。